基于CPLD的数控移相信号发生器的设计

摘? 要 在数字电路的设计中，时序设计是一个系统性能的主要标志，在高层次设计方法中，对时序控制的抽象度也相应提高，因此在设计中较难把握，但在理解RTL电路时序模型的基础上，采用合理的设计方法在设计复杂数字系统是行之有效的，并且系统的工作频率可以达到一个较高水平。 随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS)得到了飞速的发展，在本论文中，我主要结合DDS技术，基于CPLD/FPGA技术，同时结合相应的EDA软件进行设计仿真，设计出信号发生器。 　? Max+pluslI是Altera提供的一个完整的EDA开发软件，可完成从设计输入、编译、逻辑综合、器件适配、设计仿真、定时分析、器件编程的所有过程。QuartuslI是Altera近几年来推出的新一代可编程逻辑器件设计环境，其功能更为强大。用Max+pluslI设计DDS系统数字部分最简单的方法是采用原理图输入。 与此同时，我在自己的整个设计中采用的是VHDL硬件描述语言，所以在论文中还讲述了关于硬件描述语言的有关概念。 关键字：DDS，CPLD/FPGA，信号发生器，VHDL，Max+pluslI 概 述 随着微电子技术的飞速发展，目前市场上性能优良的DDS产品不断推出，主要有Qualcomm、AD、Sciteg和Stanford等公司单片电路(monolithic)。Qualcomm公司推出了DDS，系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dBc，变频时间为0.1μs；美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。 DDS技术在信号发生器的设计中得到了广泛的应用。 1.1信号发生器的应用和发展 信号发生器是属于虚拟仪器的范畴，那么就先介绍一下，有关虚拟仪器的应用和发展。 1.1.1虚拟仪器的由来 由于微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新 的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用 发生了质的变化。在这种背景下，八十年代未美国成功研制虚拟仪器。 虚拟仪器概述 所谓虚拟仪器是充分利用现有的计算机资源 ，加上独特设计的软硬件仪器硬件和专用软件，实现普通仪器的全部功能以及一些在普通仪器上无法实现的功能。虚拟仪器是一种特殊功能的 高档低价的新型仪器。虚拟仪器不但功能多样、测量准确，而且界面友好、操作简易，与其它设备集成方便灵活。 实质上，虚拟仪器就是 在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就象是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。虚拟仪器技术 的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。给用户一个充分发挥自己才能、想象力的空间。用户可以根据自己的要求，设 计自己的仪器系统，满足多样的应用需求。虚似仪器的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一 个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。 虚拟仪器是基于计算机的软硬件测试平台，它可代替传统的测量仪 器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、频谱分析仪等；可集成于自动控制、工业控制系统；可自由构建成专有仪器系统。它由计算机、应 用软件和仪器硬件组成。无论哪种虚拟仪器系统，都是将仪器硬件搭载到笔记本电脑、台式PC或工作站 等各种计算机平台(甚至可以是掌上电 脑)加上应用软件而构成的。 虚拟仪器通过软件将计算机硬 件资源与仪器硬件有机的融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小了仪器硬件的成 本和体积，并通过软件实现对数据的显示、存储以及分析处理。从发展史看，电子测量仪器经历了由模拟仪器、智能仪器到虚拟仪器。由于计 算机性能以摩尔定律(每半年提高一倍)飞速发展，已把传统仪器远远抛到后面。并给虚拟仪器生产厂家不断带来较高的技术更新速率。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活，很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、 测量、检测、计量、测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的"硬件软件化"的发展趋势，因而常被称作" 软件仪器"。它功能强大，可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软件还可检测特定系统 的参数，如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形化界面，风格简约，符合传统 设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控制设备 构成自动控制系统。 1.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器 与传统仪器相比有以下几个特点： 传统仪器 功能由仪器厂商定义；与其它仪器设备的连接十分有限；图形界面小，人工读数，信息量小； 数据无法编辑；硬件是关键部分；价格昂贵；系统封闭，功能固定，扩展性低；技术更新慢（周期为5－10年）；开发和维护费用高；多为实验 室所拥有。 虚拟仪器 功能由用户自己定义；面向应用的系统结构，可方便地与网络外设、应用等连接；展现全汉化图形界面、计算机接读 数、分析处理；数据可编辑、存储、打印；软件是关键部分；价格低廉（是传统仪器价格的五至十分之一）；基于计算机技术开放的功能模块 可构成多种仪器；技术更新快（周期为1－2）；基于软件体系的结构，大大节省开发维护费用；个人可以拥有一个实验室。 1.1.3虚拟 仪器的应用 虚拟仪器用于仪器计量系统，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电流表是科研机关、企业研发实验室、大 专院所的必备测量设备。随着计算机技术在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据采集及数据处理十分 困难。而且，传统仪器体积相对庞大，多种数据测量时常常感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器， 交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放 出来，而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言，而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量 设备少则几万元，多则几十万元。在同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之一甚至更多。虚拟仪器强大的功能和价格优势，使得 它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前景。 在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息 技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念 就是用专用的软硬件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数 据处理、数据传输的计量场合。测量与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析一条龙操作，既有条不紊 又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。 在自动控制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。决大部分闭环控制系统要求精确的采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器 系统恰恰符合上述特点，十分适合测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据吞吐能力必将使其在温控系统、在 线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等工控领域发挥更大的作用。 虚拟仪器的生产概况 虚拟仪器是利用PC计算机强大的图形 环境和在线帮助功能，建立中英文界面的虚拟仪器面板，完成对仪器的控制，数据分析与显示，代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提 高仪器的功能和使用效率，大幅度降低仪器的价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器可以广泛应用于电子测量、电力工 程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方面。国际上从1988年开始陆续有虚拟产品面市，当时有五家制造商推 出30种产品，此后，虚拟仪器产品成倍增加，到1994年底，虚拟仪器制造厂已达95家，共生产1000多种虚拟仪器产品，销售额达2.93亿美元， 占整个仪器销售额73亿美元的4％。美国是虚拟仪器的诞生地，也是全球最大虚拟仪器制造国。生产虚拟仪器的主要厂家有HP公司，目前生产 100多种型号的虚拟仪器。还有Tekronix公司，目前生产约80多种型号的虚拟仪器。这些厂家的产品在国际市场上有较强的竞争力，目前已开始 进入中国市场，但价格较高，因为没有中文界面，还没有广泛地被用户接受。 目前我国经济经过三年多的治理整顿，开始进入一个新 的发展时期，经济的快速发展将加快企业的技术改造步伐，对先进仪器设备的需求更加强劲。虚拟仪器赖以生存的PC计算机最近几年以极高的 速度在中国发展，每年销售量都在25万台以上。此外PC计算机价格在不断下降，各种应用软件层出不穷，奔腾586计算机的热情，都为虚拟仪器 的发展奠定了基础。虚拟仪器作为传统仪器的替代产品，市场容量大。据统计，1995年我国进口电子测量仪器73.5万台，价值2.32亿美元，据 专家预测，到本世纪末我国将有50％的仪器为虚拟仪器。目前国内只有两三家企业在研制PC虚拟仪器。有系列实用产品面市，经市场两年以上 考验，有稳定的营销渠道，并达到一定的批量，目前国内仅哈工大仪器王电子有限公司一家。 预计在未来两三年国内将有一批企业从 事虚拟仪器生产，据专家们分析，在最近几年国内即使有50家企业生产虚拟仪器，市场也不会饱和，只能推动虚拟仪器更快地发展。 1.1.4虚拟仪器的现状及展望 虚拟仪器的现状 近年来，世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件，以便使用者利用这些仪 器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统，并编制测试软件。最早和最具影响的开发软件，是NI公司的Lab VIEW软件和 LabWindows／CVI开发软件。Lab VIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。Lab Windows／CVI是为熟悉 C语言的开发人员准备的、在 Windows环境下的标准ANSI C开发环境。除了上述的优秀开发软件之外，美国HP公司的HP－VEE和HPTIG平台软件，美国Tektronix公司的Ez－ Test和Tek－TNS软件，以及美国HEM Data公司的Snap－Master平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台软件。 虚拟仪 器的突出成就不仅是可以利用PC机组建成为灵活的虚拟仪器，更重要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。它可 以藉不同的接口总线的沟通，将虚拟仪器、带接口总线的各种电子仪器或各种插件单元，调配并组建成为中小型甚至大型的自动调试系统。 当今虚拟仪器的系统开发采用的总线包括传统的RS232串行总线、GP－IB通用接口总线、VXI总线，以及已经被PC机广泛采用的 USB通用串行总线和IEEE 1394总线（即Firewire，也叫做火线）。世界各国的公司，特别是美国NI公司，为使虚拟仪器能够适应上述各种总线 的配置，开发了大量的软件以及适应要求的硬件（插件），可以灵活地组建不同复杂程度的虚拟仪器自动测试系统。 RS232总线 是PC机早期采用的通用串行总线，至今仍然适用于要求较低的虚拟仪器或测试系统。GP－IB仪器总线已经风行多年，由于它只是8位并行仪器总 线，传输速率和传输距离有限已经跟不上当今大规模自动测试系统的需求。但是，采用GP－IB总线的仪器或插件，仍然大量在，一直在应用， 因此GP－IB总线仍然是组建中等水平自动测试系统所欢迎的总线。VXI总线是在VME总线的基础上发展起来的仪器总线，成为当今国际上测量仪 器总线的主体。它可以满足当代科学技术发展的测试要求，成为世界各国开发虚拟仪器最重视的开发对象。在这一方面，不仅常有新的软件出 现，也常有高水平的系统开发成果的报道。 从事虚拟仪器开发的厂家和公司，也很注意USB通用串行总线和IEEE 1394串行总线 虚拟仪器的开发，一是因为虚拟仪器系统主控常采用PC机，而当今PC机已经更多地采用USB总线和IEEE 1394总线，二是因为USB总线已经得到广 泛的支持。微软Windows 98全面支持USB总线，Windows CE和 WindowsNT5.0也支持USB，Windows 95的修订版也支持USB，Sun公司和Digital公 司也已经支持USB。但是，USB总线只限于用在较简单的测试系统中，当今用虚拟仪器组建自动测试系统，更有前途的是采用IEEE 1394串行总线 ，这是因为这一种高速串行总线，能够以100、200或400Mb／s的速率传递数据，显然会成为虚拟仪器发展最有前途的总线。目前国际上虚拟仪 器所用IEEE 1394总线的传输速度的最高记录，已经达到100Mb／s。 虚拟仪器的展望 虚拟仪器正在继续迅速发展。它可以取代测量技术传统领域的各类仪器。虚拟仪器在组成和改变仪 器的功能和技术性能方面具有灵活性与经济性，因而特别适应于当代科学技术迅速发展和科学研究不断深化所提出的更高更新的测量课题和测 量需求。“没有测量就没有鉴别，科学技术就不能前进”。虚拟仪器将会在科学技术的各个领域得到广泛应用。 1.2本次设计的选题 在本论文中，我主要结合DDS技术，基于CPLD/FPGA技术，同时结合相应的EDA软件进行设计仿真，设计出信号发生器。我在自己的整个设计中采用的是VHDL硬件描述语言。