基于FPGA三相正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

引言

直接數(shù)字頻率合成器（DirectDigtalSynthesiser，DDS）與數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）一樣，是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

目前，各大芯片廠商都相繼推出了高性能和多功能的DDS芯片，內(nèi)部數(shù)字信號(hào)抖動(dòng)很小，輸出信號(hào)的質(zhì)量較高。但是在某些場(chǎng)合，由于專用的DDS芯片的控制方式是固定的,故在工作方式、頻率控制等方面與系統(tǒng)的要求差距很大，數(shù)字控制器接口不便，難以滿足復(fù)雜要求，對(duì)處理速度要求較高,從而也限制了頻率進(jìn)一步的提高，同時(shí)微處理器的處理任務(wù)也更加繁重。FPGA以其可靠性高、功耗低、保密性強(qiáng)等特點(diǎn),在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出符合特定需要的三相正弦DDS電路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，利用FPGA合成DDS是一個(gè)較好的解決方法，具有良好的實(shí)用性和靈活性。

1DDS的基本原理

直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的工作原理是基于相位和幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)改變頻率控制字K來(lái)改變相位累加器的累加速度，然后在固定時(shí)鐘fc的控制下取樣，取樣得到的相位值通過(guò)相位幅度轉(zhuǎn)換得到與相位值對(duì)應(yīng)的幅度序列,幅度序列再通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換就可以得到模擬波形的輸出。DDS

原理框圖如圖1所示。

在圖1中，累加器單個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量為：

其中N為累加器字長(zhǎng)，角頻率為：

由式（3）可見(jiàn)，相位累加器進(jìn)行線性相位累加時(shí)，頻率控制字的相位增加量越大，相位累加器的溢出頻率越高，輸出信號(hào)的頻率也就越高。

2三相正弦信號(hào)系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由頻率、相位控制字，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（即

D/A轉(zhuǎn)換），DDS模塊以及低通濾波器（LPF）等構(gòu)成。如圖2所示，其中頻率控制字K控制頻率的輸入，而相位控制字為P,與DDS模塊一起精確控制頻率的變化；D/A轉(zhuǎn)換是把波形對(duì)應(yīng)的數(shù)字量快速地轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)波形的模擬信號(hào)；低通濾波器用于濾除階梯信號(hào)中的諧波分量。本文采用2階低通濾波電路，階梯信號(hào)通過(guò)低通濾波，使得輸出信號(hào)頻譜純度較好，失真較小。

3三相正弦信號(hào)發(fā)生器的FPGA實(shí)現(xiàn)

3.1 DSP Builder 設(shè)計(jì)流程

DSP Builder設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。具體步驟如下：

（1）在Matlab/Simulink中進(jìn)行設(shè)計(jì)輸入。即在Matlab 的Simulink環(huán)境中建立一個(gè)mdl模型文件，用圖形方式調(diào)用 Altera DSP Builder和其他的Simulink庫(kù)中的圖形模塊，構(gòu)成 系統(tǒng)級(jí)或算法級(jí)設(shè)計(jì)框圖；

（2）利用Simulink的圖形化仿真、分析功能。分析此設(shè) 計(jì)模型的正確性，完成模型仿真；

（3）通過(guò)Signal Compiler把Simulink的模型文件(后綴 為.mdl)轉(zhuǎn)化成通用的硬件描述語(yǔ)言,VHDL文體后綴為.vhd)。 也是DSP Builder設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步；

（4）對(duì)以上頂層設(shè)計(jì)產(chǎn)生的VHDL的RTL代碼和仿真 文件進(jìn)行綜合、編譯適配以及仿真。

3.2系統(tǒng)模型圖建立

實(shí)現(xiàn)相位互差120。的三相正弦信號(hào)發(fā)生器的原理與單相 正弦信號(hào)發(fā)生器的原理基本一致，不同的是三相發(fā)生器需要 兩個(gè)具有固定相位偏移的相位加法器。圖4為基于Simulink 平臺(tái)建立的系統(tǒng)系統(tǒng)模型圖。圖5為頻率控制字為2時(shí)的仿真 波形。

3.3硬件實(shí)時(shí)測(cè)試

三相正弦信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后可以通過(guò) 示波器進(jìn)行測(cè)試，也可以通過(guò)嵌入式邏輯分析儀Signal Tap 口 直接測(cè)試。通過(guò)嵌入式邏輯分析儀Signal Tap 口直接測(cè)試得到 的實(shí)時(shí)波形如6所示。由波形圖可知，成功地完成了三相正弦 信號(hào)發(fā)生器的FPGA設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了利用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（即 DDS）設(shè)計(jì)三相電正弦波形的方法，這種方法克服了傳統(tǒng)波形發(fā)生器輸出波形頻率窄的缺點(diǎn)，可以根據(jù)需要得到很寬范圍的合成波形。采用 FPGA 構(gòu)造電力電子裝置的控制單元具有簡(jiǎn)單靈活、控制精確、易修改、可現(xiàn)場(chǎng)編程等優(yōu)點(diǎn)。這種方法可廣泛應(yīng)用于要求合成波形的諧波小、頻帶寬的測(cè)試儀器中。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)低通濾波器，則可以制作頻率范圍寬、精度高的信號(hào)源。

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