第ｌ７卷第４期 辽东学院学报（自然科学版） Ｖ０１．１７ ＮＯ．４ ２０１０年１２月 ＪｏｕｒｎＭ ｏｆ Ｅａｓｔｅｒｎ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ（ＮａｔｕｒＭ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｄｅｃ．２０１０ 【机械与电子工程】 基于ＦＰＧＡ器件的ＰＷＭ方式正弦信号发生器设计 许德成 （吉林师范大学信息技术学院，吉林四平１３６０００） 摘要：文章阐述了基于ＦＰＧＡ器件应用ＰＷＭ方式产生幅度频率可调的模拟正弦波的一种方法。即 在产生某一频率信号时，让采样脉冲的周期保持不变，而占空比做相应的变化。即先离线计算出正弦表， 在每一个采样周期内改变一次占空比，改变的规律按正弦表的变化，这样输出的信号经过滤波电路滤掉高 次谐波以后就变换成相应的正弦波。设计经可编程芯片实现功能，经过验证设计系统的输出信号具有以下 特点：稳定性和平滑行都很好，且相应的参数调节方便；这种信号产生方式相比传统的信号产生具有较高 的频率分辨率，且易于实现频率相位幅度的数控调制。相比于ＤＤＳ技术，ＰＷＭ方式的主要优点是从处理 器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。能进一步的提高信号的抗干扰能力，可广泛应用 在测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 关键词：ＦＰＧＡ器件；正弦信号；ＰＷＭ 中图分类号：ＴＰ３４６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—４９３９（２０１０）０４—０３２１—０４ 模拟信号产生是电子系统设计的基础内容。现 很强。干扰信号只有在强到足以将逻辑１改变为逻 在模拟正弦波的产生方式大部分是应用基础的运放 辑０或将逻辑０改变为逻辑１时，才能对数字信号 器件或者采用直接频率合成技术然后经过ＤＡ转 产生影响。理论上只要采样频率足够高，任何模拟 换。但应用模拟器件做信号产生精度和可调节性都 值都可以使用ＰＷＭ进行编码 】。在进行脉宽调制 比较差，应用ＤＤＳ技术虽然可以达到精度和控制 时，先离线计算出正弦信号表，将其存储ＥＰＲＯＭ 的要求，但电路需要增加ＤＡ转换，对于高速的信 中，然后通过控制使输出脉冲系列的各脉冲宽度按 号转换硬件要求比较高，同时成本也比较大。基于 正弦表的规律变化。即在产生某一频率信号时，让 此可以考虑应用脉宽调制方式产生正弦波。采样控 采样脉冲的周期保持不变，而占空比做相应的变 制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的 化。当对应正弦表取值较大时，脉冲的占空比也较 窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相 大，反之，当对应正弦表取值较小时，脉冲的占空 同。脉宽调制（ＰＷＭ）是利用微处理器的数字输 比也较小，这样输出波形即为一连串占空比不等且 出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术， 各脉冲宽度按正弦规律变化的脉冲波。输出波形经 ＰＷＭ是一种对模拟信号电平进行数字编码的方 过适当的ＲＣ滤波可以做到正弦波输出。ＰＷＭ原 法…。ＰＷＭ信号仍然是数字的，所以抗干扰能力 理如图１所示。 收稿日期：２０１０—１Ｉ一２０ 作者简介：许德成（１９７７一），男，吉林辽源人，讲师，研究方向：基础电子技术、ＥＤＡ技术等。 ·３２２· 辽东学院学报（自然科学版） 第ｌ７卷 ０ － 【Ｊ － ｌ ， － Ｉ － － Ｉ ● Ｉ ● ｌ Ｉ － ● Ｉ 一－Ｉ Ｉ ｌ ｌ 一 Ｉ ●。● 一 ０ ｔ 图１ ＰＷＭ采样原理图 ｌ 设计方法 系统的设计框图如下所示： 图２系统设计框图 由于ＦＰＧＡ芯片只能综合一些简单的加、减、 率直接影响所产生的正弦信号的最高频率。所以外 部信号源频率应较高，如果达不到设计要求，可以 通过ＦＰＧＡ芯片内部的锁相环先进行倍频处理【４Ｊ。 乘、除等算术逻辑，要其实现正弦函数的计算非常 耗费资源，所以正弦调制波的产生通过查表来完 成。在ＦＰＧＡ芯片内部调用ＲＯＭ的ＩＰ核。首先将 一将信号作为Ⅳ进制计数器的计数时钟，每经过Ⅳ 个脉冲计数器完成一次计数循环。这里Ⅳ即为计 个周期的正弦函数进行 点的离散，这里具体 的离散点数可自己决定，但受输出信号频率最大值 和滤波电路结构的限制。如果 值较大，则输出 信号的频率最大值变低。如果 值较小，则滤波 电路的结构就要相应复杂。故可根据实际情况选取 Ｍ的大小，然后计算出离散后的正弦数据所对应 的占空比的值，并将计算后所得的数据按顺序存储 到ＦＰＧＡ的ＲＯＭ中。在需要时，按照占空比与地 址一一对应的关系从表中依次读出即可 。信号 算占空比的满度值，所以ＲＯＭ中存储的数据应为 小于 的且按正弦规律变化的占空比计算值。然 后将信号对其Ⅳ分频后为ＲＯＭ的地址，即保证每 经过Ⅳ个脉冲取一次占空比的值，这样就得到了 ＲＯＭ表中的占空比数据和计数器的计数值。将这 两个值进行比较，即可得到相应的脉冲波。当 ＲＯＭ中取得的数据变化时。相应的占空比也就发 生变化。当ＲＯＭ中数据完成一次循环后，即产生 源可以应用外部晶振来产生时钟信号，信号源的频 了一串周期相等而高电平宽度按正弦规律变化的脉 第４期 许德成：基于ＦＰＧＡ器件的ＰＷＭ方式正弦信号发生器设计 ·３２３· 冲波。这些脉冲波经过低通滤波后即对应正弦信号 ｂｅｇｉｎ 的一个周期 。如想改变输出信号的幅度，只需 ｉｆ ｃｌｋ￣ｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝ 】 ｔｈｅｎ 在后面加一级放大电路即可。其输出信号的频率即 ｉｆ ｑ＞ｄａｔａ ｔｈｅｎ Ｙ＜＝ ０ 为对信号源进行Ｍ×Ｎ分频。 ｅｌｓｅ Ｙ＜＝ １，： 其设计的关键部分即为查表和比较。其ＶＨＤＬ ｅｎｄ ｉｆ； 描述如下： ｅｎｄ ｉｆ； ｌｉｂｒａｒｙ ｉｅｅｅ； ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ； ｕｓｅ ｉｅｅｅ．ｓｔｄｌｏｇｉｃ一１ １６４．ａｌｌ； ｅｎｄ； —ｅｎｔｉｔｙ ｔｉａｏｚｈｉ ｉｓ 在计数器不断进行．进制计数的过程中，当当 ｐｏｒｔ（ｄａｔａ：ｉｎ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ—ｖｅｃｔｏｒ（７ ｄｏｗｎｔｏ 前计数值大于ＲＯＭ中取得的数据时输出为低，否 ０）；——ＲＯＭ中调出的数据 则输出为高。这样每次循环由于ＲＯＭ中取得不同 ｑ：ｉｎ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ—ｖｅｃｔｏｒ（７ ｄｏｗｎｔｏ Ｑ ——计 的数据。而计数值就是从０走到Ⅳ．所以输出信号 数器当前的计数值 的占空比也在不断变化。即得到了一串周期相等而 ｃｌｋ：ｉｎ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ；——系统时钟源 高电平宽度按正弦规律变化的脉冲波。 Ｙ：ｏｕｔ ｓｔｄ—ｌｏｇｉｃ）；——输出的随正弦规律变 ２仿真验证 化占空比的脉冲波 ｅｎｄ ｅｎｔｉｔｙ ｔｉａｏｚｈｉ； 该设计已经通过仿真验证。并在赛灵思的 ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｎｅ ｏｆ ｔｉａｏｚｈｉ ｉｓ ＦＰＧＡ芯片上实现。输出信号失真小，调节方便。 ｐｒｏｃｅｓｓ（ｃｌｋ） 完全满足设计要求。其仿真图形如图３所示： 图３仿真验证时序及输出波形图 由图３的仿真图形可见。输出Ｑ的占空比逐 经过低通滤波即可得到相应的正弦波，其输出的正 渐变化。且其脉冲宽度符合正弦波变化规律。输出 弦信号稳定性和平滑行都很好。 ·３２４· 辽东学院学报（自然科学版） 参考文献： ～第ｌ７卷 ３结语 ［１］吴泽民，王俊，王景．利用单片机产生ＰＷＭ信号的软 件实现方法［Ｊ］．机电技术２００８（１）：２０． ［２］ 滕旭东，王弘辉，傅友登．基于ＣＰＬＤ的数字ＰＷＭ信 系统设计由于将ＦＰＧＡ的高速型、稳定性和 ＰＷＭ调制方式的控制灵活性结合起来应用数字采 样的方式产生模拟的正弦波形，所以具有其他方式 号发生器的设计［Ｊ］．微计算机信息，２００７（２０）： ｌ７８． 不可比拟的优势。测试结果表明，该方式产生的信 号具有频率稳定性好、抗干扰能力强、结构简单和 ［３］ 罗小巧，廖小芳．基于ＣＰＬＤ的ＰＷＭ信号发生器设计 ［Ｊ］．电子测量技术２００７（１２）：８７． ［４］ 包明，包奎．实现ＰＷＭ脉宽调制的Ｈ＇ＧＡ芯片研制 ［Ｊ］．电工技术，２００３（６）：３Ｏ． 调整灵活等特点，易于实现智能控制。其应用领域 包括测量、通信、电机控制、调光、开关电源等， 因此研究基于ＰＷＭ技术的脉宽数控调制信号发生 器具有十分重要的现实意义。 ［５］ 李燕，袁朝阳．脉宽调制低通滤波器特性探讨［Ｊ］．后 勤工程学院学报，２００２（４）：Ｉ． （责任编辑：龙海波） Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＰＷＭ Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ＦＰＧＡ Ｄｅｖｉｃｅ ＸＵ Ｄｅ—ｃｈｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｊｉｌｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉｐｉｎｇ １３６０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ＦＰＧＡ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ＰＷＭ ｍｏｄｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｅｎ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ａ ｓｉｇｎａｌ ｗｉｈ ｓｏｍｅ ｆｔｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｔｈｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｕｌｓｅ ｐｅｒｉｏｄ ｋｅｅｐｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ ｃａｎ ｍａｋｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｄｊｕｓｔ．Ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｔａｂｌｅ ｉｓ ｃｏｒｎ— ｐｕｔｅｄ ｆｉｒｓｔｌｙ ｏｆｆｌｉｎｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｕｔｙ ｒａｔｉｏ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｏｎｃｅ ｉｎ ｏｎｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｗ ｏｆ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ． Ｈｅｎｃｅ，ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｎａｌｇ ｉｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ａｆｔｅｒ ｈｅ ｈｉｔｇｈ—ｏｒｄｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ａｒｅ ｉｆｌｔｅｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｆｌｔｅｒｉｎｇ ｃｉｒ－ ｃｕｉｔ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｎａｌｇ ｔｈｕｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｗｉｈｔ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｈｉｐｓ ｉｓ ｓｍｏｏｔｈ ｗｉｈｔ ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｒｅｌｅ— ｖａｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄ，ｉｔ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｃ唧ｏｕｔ ｔｈｅ ｎｕ— ｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｐｈａｓｅ ａｎｄ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａ１．Ｉｎ ＰＷＭ ｍｏｄｅ，ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ａｌｌ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｏｒｍ ａｎｄ ｎｏ ｄｉｇｉｔａｌ—ａｎａｌｏｇ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｒｅ ｎｅｅｄｅｄ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｔｉ—ｉｎ： ｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｗｉｄｅｌｙ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ ａｒｅａｓ ｓｕｃｈ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ ｄｅｖｉｃｅ；ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｓｉｇｎａｌ；ＰＷＭ