基于FPGA的掃頻信號源的研究與設(shè)計(jì)

掃頻技術(shù)是電子測量中的一種重要技術(shù)，廣泛用于調(diào)頻放大器、寬頻帶放大器、各種濾波器、鑒相器以及其他有源或無源網(wǎng)絡(luò)的頻率特性的測量。掃頻信號源是整個測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，隨著被測量的頻率和精度要求的不斷提高，由傳統(tǒng)的晶體振蕩器設(shè)計(jì)的掃頻信號源已不能滿足要求。因此，近年來出現(xiàn)一種直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)，它采用數(shù)字電路合成所需波形，具有精度高、產(chǎn)生信號信噪性能好、頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的掃頻信號源是基于DDS技術(shù)，并在Altera公司的EP2C20上實(shí)現(xiàn)邏輯綜合、布局布線、時序仿真及功能驗(yàn)證。DDS電路、掃頻信號的控制及顯示電路均集成在FPGA中實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)集成，不僅減小了電路尺寸，而且還增強(qiáng)了抗干擾性，使可靠性得到了進(jìn)一步的提高。該掃頻信號源克服了傳統(tǒng)掃頻信號源電路復(fù)雜、價格昂貴、體積龐大等缺點(diǎn)，具有掃頻和點(diǎn)頻兩種頻率輸出方式及測頻、掃速控制等功能。

1 掃頻技術(shù)的原理

將正弦信號加入線性時不變系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)是與輸入信號相同頻率的正弦量，但它的幅值和相位則決定于具體系統(tǒng)的動態(tài)特性。為此，就需要分析在正弦信號作用下，一定頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)的輸出量和輸入量的幅值比和相位的變化規(guī)律，即系統(tǒng)的頻率特性。一個系統(tǒng)輸出量與輸入量之比稱為頻率響應(yīng)函數(shù)。即：

其中，頻率響應(yīng)的模A(ω)=OH(ω)O是表征輸出與輸入的幅度之比，稱為系統(tǒng)的幅頻特性。頻率響應(yīng)的相位φ(ω)= ∠H(ω)是表征輸出與輸入的相位之差，稱為系統(tǒng)的相頻特性。

為了測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，可以對系統(tǒng)采用逐點(diǎn)掃描的方法，也可以采用掃頻的方法。采用掃頻的方法通常需要利用掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生一定頻率范圍的掃頻信號，并將這一信號加到被測系統(tǒng)的輸入端。同時，測出該系統(tǒng)對應(yīng)的掃頻輸出。則測出的輸出信號與對應(yīng)的輸入信號幅度之比就是系統(tǒng)的幅頻特性。輸出信號與對應(yīng)的輸入信號的相位之差就是系統(tǒng)的相頻特性。

2基于DDS技術(shù)掃頻信號源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 DDS掃頻信號源系統(tǒng)組成原理

掃頻信號源是掃頻儀的重要組成部分，用于產(chǎn)生測試的正弦掃頻信號。其輸出的掃頻信號應(yīng)是等幅的，掃頻范圍應(yīng)是可調(diào)的，掃頻規(guī)律可以是線性掃頻或?qū)?shù)掃頻。本系統(tǒng)以FPGA為平臺，運(yùn)用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)掃頻信號源。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備全數(shù)字化的一個關(guān)鍵技術(shù)。DDS中主要包括頻率控制寄存器、相位累加器和正弦計(jì)算器3部分。其中，頻率控制寄存器用來裝載并寄存用戶輸入的頻率控制字。相位累加器則根據(jù)頻率控制字在每個時鐘周期內(nèi)進(jìn)行相位累加，得到正弦波的相位值；正弦計(jì)算器則計(jì)算數(shù)字化正弦波的幅度。DDS輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬信號。

本文設(shè)計(jì)的以FPGA為實(shí)現(xiàn)平臺的DDS掃頻信號源原理圖如圖1所示，DDS所產(chǎn)生的是固定頻率的信號，其頻率控制字FSW與輸出信號，fout和參考頻率的fc之間的關(guān)系為：

掃頻信號源只需在DDS原理圖的基礎(chǔ)上增加頻率累加器，每來一個時鐘脈沖，頻率累加器根據(jù)起始頻率和頻率增量產(chǎn)生瞬時頻率，然后經(jīng)過相位累加器運(yùn)算輸出掃頻信號的瞬時相位，以此相位值尋址正弦值存儲表，通過查表得到與相位值對應(yīng)的幅度量化值；在下個周期來臨時，頻率累加器一方面將在上一個時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的頻率數(shù)據(jù)反饋到頻率加法器的輸入端，以使頻率加法器繼續(xù)累加，頻率累加的瞬時值與上一個周期相位累加器反饋到相位加法器輸入端的數(shù)據(jù)累加，然后再依此周期累加的相位值重新尋址正弦值存儲表，得到對應(yīng)的幅度量化值。

掃頻信號源頻率分辨率fstep直接取決于DDS的頻率最小分辨率△fmin計(jì)算公式如下：