基于单片机和FPGA的任意频率发生器设计文献综述

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文献综述基于单片机和FPGA的任意频率发生器设计1前言单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！......它主要是作为控制部分的核心部件。[9-13]5 直接数字频率合成（简称DDS）是一种新的频率合成技术，同传统的直接频率合成（DS），锁相环间接频率合成（PLL）方法相比，它具有很多优点，如频率切换时间短，频率分辨率高，相位变化连续，容易实现对输出信号的多种调制等。近几年来，疙瘩芯片制造厂商都继续推出各种各样的高性能，多功能的DDS专用芯片，为电路设计者提供了多种选择，满足了工程的实际需要。但DDS专用芯片确实固定的，使用不灵活。二用FPGA设计的DDS电路只需要改变FPGA中的ROM数据，DDS就可以产生任意波形，而且FPGA芯片要比专用DDS专用芯片便宜很多倍。因此，采用FPGA来设计DDS系统具有很高的性价比。基于这种技术，用单片机和FPGA实现的任意波形发生器，精度高，成本低，实现简单。DDS技术，就是根据奈奎斯特采样定理，将模拟信号离散化，然后以二进制形式存放在存储器中。当需要该信号时，以一定的速率重复从存储器中取出数据，送入D／A转换器转换，再经低通滤波器去除高频分量，平滑输出信号，就得到想要的波形。这种频率合成技术的精度与存储器中的数据点数、D／A的转换速率和位数都有着密切的关系。数据点数越多，D／A转换的速率越快，位数越多，合成的频率范围越大，精度越高。2主题目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。DDS问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声，这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。1.实时模拟仿真的高精密信号在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的的最佳方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。2.实现各种复杂方式的信号调制DDS也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制，因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的。5 现代通信技术中调制方式越来越多，BPSK，QPSK，MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。一个32位的相位累加器可产生43亿个离散的相位电平，而相位精度可控制在8×10－3度的范围内，因此，在转换频率时，只要通过预置相位累加器的初始值，即可精确地控制合成信号的相位，很容易实现各种数字调制方式。3.实现频率精调，作为理想的频率源DDS能有效地实现频率精调，它可以在许多锁相环（PLL）设计中代替多重环路。在一个PLL中保持适当的分频比关系，可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来，从而实现更为理想的DDS＋PLL混合式频率合成技术。在频率粗调时用PLL来覆盖所需工作频段，选择适当的分频比可获得较高的相位噪声，而DDS被用来覆盖那些粗调增量，在其内实现频率精调。这种方案以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应满足了各种系统对频率源苛刻的技术要求。这也是目前开发应用DDS技术最广泛的一种方法。采用这种方案组成的频率合成器已在很高的频率上得以实现。当然，DDS的应用不仅限于这些，它还可用于核磁谐振频谱学及其成像、检测仪表等。随着DDS集成电路器件速度的飞速发展，它已成为一种可用于满足系统频率要求的重要而灵活的设计手段。[1-3]关于FPGA的发展有以下几个方向：1.规模越来越大，集成度越来越高。早期的FPGA规模只有几千门，2006年5月份，Xilinx公司推出世界上第一个65nmFPGA系列——Virtex-5。基于65nm三极栅氧化层技术、11层铜布线工艺、低K材料、新型镍硅自对准技术、新型ExpressFabric技术和ASMBL架构，可以提供330000个逻辑单元（可编程逻辑门约660万门）和1200个用户I/O。2.速度不断提高，性能不断提升。Xilinx2006年推出的Virtex-5LX性能和利用率都很高，同时功耗大幅度降低。Virtex-5LXFPGA比上一代90nmFPGA提供高出30%的性能，少占用45%的硅片面积，以及提供比上一代90nmFPGA低35%的业界最低动态功耗。Virtex-5LX系列还通过性能优化的IP块拥有了550MHz时钟频率。高性能SelectIO特性提供了到667MbpsDDR2SDRAM和1200MbpsQDRIISRAM等外部存储器的最快连接。ALtera公司于2006年11月份推出StratixIII的65nmFPGA系列。StratixIII比前一代器件快25%，密度是前一代FPGA的2倍，功耗降低了50%，支持四十多个I/O接口标准，具有业界一流的性能、灵活性和信号完整性。3.IP库的利用。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA厂商将IP硬核（指完成版图设计的功能单元模块）嵌入到FPGA器件中；另一方面是大力扩充优化的IP软核（指利用HDL5 语言设计并经过综合验证的功能单元模块），用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP核资源，有效地完成复杂的片上系统设计。1.价格越来越低。FPGA市场的激烈竞争推动了价格的不断下调。基于SRAM的FPGA的价格下降很快，每1万门的单价在2004年底降至1美元，到2005年降至0.5美元。Altera公司于2005年第二季度开始批量生产的低端FPGACyc1oneII，其约33万门的产品将以22美元的价格供货。相当于每一万门的单价为0.65美元左右。2.向可编程系统芯片（SOPC）方向发展。可编程系统级芯片（SOPC）具有ASIC的高集成度、低功耗、小尺寸、低成本的优点，同时具有FPGA的低风险、灵活和快速上市的优点。Altera推出的支持新款CycloneIIFPGA系列的NiosII嵌入式处理器，允许设计者在很短的时间内构建一个完整的可编程系统芯片，风险和成本比中小规模的ASIC小。实现PSOC主要有两种途径,一种是在FPGA中嵌入专用功能的IP核，实现SOC的功能，另一种是将可编程逻辑IP核嵌入到SOC中。[4-8]3总结综上所述，基于单片机和FPGA任意频率信号发生器具有很高的性价比。基于DDS这种技术，用单片机和FPGA实现的任意波形发生器，精度高，成本低，实现简单，具有一定的实用价值和经济效应，具有更好更广泛的发展前景。4参考文献[1]王广君,王永涛等．基于CPLD的高精度任意波形发生器的研制[J]．实验技术与管理．2009,26(3):74-78.[2]林建英,王涛,王晓迪．基于DDS技术波形发生器的实验教学研究与实施[J]．实验科学与技术.2006,4(1)：75-78.[3]刘文莉,林建英，用单片机与FPGA实现的DDS波形发生器[J]．研究与开发，2007，26(12)：27-28[4]蒋献丰,钱卫飞，基于单片机与FPGA的波形发生器[J]．中国测试技术，2008，34(3):78-79．[5]王彦.基于FPGA的工程设计与应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2007：272-279.[6]王彦.基于FPGA的工程设计与应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2007：489-496.5 [7]王彦,方艾,张清明.基于FPGA的数字波形发生器[J]．机械与电子，2004(6)：16-16．[8]刘源,于亚萍．基于FPGA数控信号发生器的设计[J]．自动化技术与应用，2009，28(12):75-77.[9]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社,2003[10]林志琦.单片机原理接口及应用（c语言版）[M].北京：中国水利水电出版社,2007[11]陈伟人.MCS-51系列单片机实用子程序集锦[M].清华大学出版社,1993.3[12]何立民.单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社,1993[13]席先觉.单片微型计算机及其应用[M].高等教育出版社,1987[14]KedarGodbole.ConvertingAnalogControllerstoSmartControllerswiththeTMS320C2000DSPs[M].ApplicationNote(spra995)-TexasInstruments,2004.[15]J.Hennessy,N.Jouppi.Computertechnologyandarchitecture:anevolvinginteraction[J].IEEEComputerMagazine,1991,24(1):18–29.5