摘    要：本文介紹了基于FPGA的自帶移相信號源的相位測量儀的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中研究了DDS信號源的FPGA實(shí)現(xiàn)方法。經(jīng)過驗(yàn)證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。
關(guān)鍵詞：DDS；FPGA；VHDL；相位測量

引言
      隨著集成電路的發(fā)展，利用大規(guī)模集成電路來完成各種高速、高精度電子儀器的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種行之有效的方法。采用這種技術(shù)制成的電子儀器電路結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、測量精確且易于調(diào)試。本文采用Altera CycloneII系列FPGA器件EP2C5，設(shè)計(jì)了高精度相位測量儀。測量相位差所需的信號源在FPGA內(nèi)部運(yùn)用DDS原理生成，然后通過高速時(shí)鐘脈沖計(jì)算兩路正弦波過零點(diǎn)之間的距離，最后通過一定的運(yùn)算電路得到最終相位值，測相精度為1°。

圖1 相位測量儀硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 基于DDS的數(shù)字移相信號發(fā)生模塊框圖

圖3 控制模塊頂層原理框圖

圖4 相位測量模塊原理框圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
      該基于FPGA的相位測量儀，硬件組成包括FPGA、高速DAC以及電壓比較器等部分。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      該測量儀由按鍵來預(yù)置正弦波的頻率及相位。通過FPGA內(nèi)部的控制模塊來計(jì)算并產(chǎn)生正弦波所需的頻率控制字和相位控制字，然后將控制字輸入DDS模塊以產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)10位高速DAC THS5651輸出兩路正弦波。在測相位差時(shí)，將圖1中移相正弦波輸出分為兩路，其中一路直接經(jīng)電壓比較器LM311整形后輸入測相模塊；另外一路先通過被測電路，然后再經(jīng)電壓比較器整形后輸入測相模塊，從而得到正弦波經(jīng)被測電路后產(chǎn)生的相移。

基于FPGA的硬件電路設(shè)計(jì)
DDS移相信號源設(shè)計(jì)
　   DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形，本系統(tǒng)的移相信號發(fā)生模塊如圖2所示。

　　圖2中，加法器與寄存器級聯(lián)構(gòu)成相位累加器。通過時(shí)鐘脈沖觸發(fā)相位累加器，從而將頻率控制字不斷累加。相位累加器產(chǎn)生一次溢出，就完成一次周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是DDS合成信號的一個(gè)頻率周期。

　　用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器的相位取樣地址，把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)查找表查出，從而完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。然后將波形存儲器的輸出送到DAC，通過DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成合成頻率的模擬波形。
圖2中FWORD是10位頻率控制字；PWORD是10位相移控制字，用來控制正弦信號輸出的相移量；SINROM用來存放正弦波數(shù)據(jù)，有10位數(shù)據(jù)線和10位地址線。其中數(shù)據(jù)文件是MIF文件(數(shù)據(jù)深度1024,數(shù)據(jù)類型為10進(jìn)制數(shù))，可由Matlab生成,存放數(shù)據(jù)的單元采用定制ROM的方法生成;POUT和FOUT都為10位輸出,分別和兩個(gè)高速DAC THS5651相連。

控制模塊的生成
　　在產(chǎn)生波形的過程中,DDS模塊所需的頻率和相位控制字由在FPGA內(nèi)部編寫的控制模塊來給定�？刂颇K的頂層原理框圖如圖3所示。  

　　圖3中，B1、C10、D100、P1K分別為頻率步進(jìn)輸入端；Re為復(fù)位端；PW1、PW10分別為1 10南轡徊澆淙�。其中fbcout為頻率控制字計(jì)算模塊,完成由頻率步進(jìn)值到二進(jìn)制頻率控制字的轉(zhuǎn)換。

　　cout360為相位輸入計(jì)算模塊,由相位輸入端的脈沖輸入計(jì)算出實(shí)際的移相值(0麀359 )。add_data_rom是存放相位控制字的ROM,其數(shù)據(jù)文件是MIF文件,內(nèi)部360個(gè)地址值分別對應(yīng)0麀359南轡 ,每個(gè)地址中的數(shù)據(jù)為每個(gè)相位值對應(yīng)的正弦波ROM的地址值。由于正弦波ROM將一個(gè)波形分成了1024個(gè)點(diǎn),則0麀359南轡恢刀雜α薙INROM中的360個(gè)點(diǎn)。考慮到1024/360=2.84非整，為了減小移相誤差,提高移相精度，本設(shè)計(jì)中采用分段處理的方法，將360個(gè)地址分成60組。第15、30、45、60組的6個(gè)地址中點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離都為3;其余各組前5點(diǎn)之間的點(diǎn)距為3,第5點(diǎn)與第6點(diǎn)之間的點(diǎn)距為2。

相位測量模塊設(shè)計(jì)原理
　　本系統(tǒng)的相位測量采用由高速時(shí)鐘脈沖測量兩路波形過零點(diǎn)之間距離的方法。相位測量模塊原理框圖如圖4所示。

　　圖4中，A、B為兩路方波輸入，CLK為50MHz時(shí)鐘輸入，dfd2塊為下降沿觸發(fā)的2分頻模塊。A、