CN114356022B - 一种任意波形直接数字合成单元 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字电路技术领域，具体涉及一种任意波形直接数字合成单元。所述单元基于FPGA实现，其输入包含调幅因子矩阵(Coefficient Code Matrix,简称CCM)，调频因子矩阵(Frequency Code Matrix，简称FCM)和调相因子矩阵(Phase Code Matrix,简称PCM)，其输出包含转换码值(DAC Code,简称DC)。单元内部配置有一个正弦波发生器阵列和一个加法器，正弦波发生器阵列的阶数与调幅、调频和调相因子矩阵的阶数相等，每个波形发生器包含一个DDS单元和一个调幅单元。其中，DDS单元依据对应的调频和调相因子合成数字相位，并以数字相位为索引在查找表中抽取正弦波幅值信息；调幅单元实现DDS输出的正弦波幅值信息在[0,1]范围内的任意调幅；加法器将所有调幅单元的输出结果累加起来，生成转换码值DC。

Description

一种任意波形直接数字合成单元

技术领域

本发明涉及工业领域，具体涉及一种任意波形直接数字合成单元。

背景技术

波形发生器作为通用元件，被广泛应用于机载电子设备中。传统的波形发生方案是在设备中配置专用波形发生器，比如AD9837和AD9833等，该方案设计简单，且容易实现，但是存在扩展性差的问题。随着国产元器件的进一步发展，越来越多的人选用基于可编程逻辑器件和数模转换器设计波形发生器，该方法在配置多通道数模转换器的情况下，可同时输出多路波形，显著提高了扩展性，降低了硬件成本。然而无论是专用波形发生器，还是基于可编程逻辑器件的可扩展波形发生器，均只能产生正弦波、三角波和方波等简单信号，而不能产生任意波形，难以满足信息通讯和信号分析等应用需求。因此，针对现有波形发生器通用性差的问题，设计一种任意波形直接数字合成单元，实现任意波形发生具有重要意义。

发明内容

本发明的目的：提供了一种任意波形的直接数字合成单元。

技术方案：一种任意波形直接数字合成单元，所述任意波形直接数字合成单元包含一个正弦波发生器阵列(SG)和一个加法器(AU)，所述正弦波发生器阵列SG包含n个正弦波发生单元，所述正弦波发生单元包含一个正弦波直接数字合成单元(DDS)和一个调幅单元(AM)。其中，正弦波直接数字合成单元包括调频因子引脚Δθ、调相因子引脚θ₀和DDS输出引脚Q；调幅单元包括调幅因子引脚α、AM输入引脚D_in和AM输出引脚D_out；加法器包括AU输入引脚AU_in和AU输出引脚AU_out，其中：

所述第i个正弦波发生单元SG(i)，1≤i≤n，调幅因子CCM(i)与对应的调幅单元AM(i)的α(i)相连接；调频因子FCM(i)与对应的正弦波直接数字合成单元DDS(i)的Δθ(i)相连接；调相因子PCM(i)与对应的正弦波直接数字合成单元DDS(i)的θ₀(i)相连接；正弦波直接数字合成单元DDS(i)的Q(i)与对应的调幅单元AM(i)的D_in(i)相连接；调幅单元AM(i)的D_out(i)与加法器的AU_in(i)连接；加法器的AU_out与转换码值DC相连接。

具体的，所述CCM、FCM和PCM的阶数n与正弦波发生器阵列的阶数n相等。

具体的，所述调幅因子CCM(i)表示的调幅系数的范围为[0,1]。

具体的，所述调幅因子CCM(i)满足条件

具体的，所述加法器AU有n个输入信号AU_in(i)，1≤i≤n，输出AU_out与AU_in(i)之间的关系为

具体的，所述正弦波直接数字合成单元DDS(i)依据其频率控制字Δθ(i)和相位控制字θ₀(i)完成相位合成和幅值抽取，输出正弦波幅值信息Q(i)。

具体的，所述调幅单元AM(i)的输入包含调幅系数α(i)和输入码值D_in(i)，其输出码值D_out(i)与输入之间的关系可以表示为D_out(i)＝α(i)·D_in(i)。

具体的，所述任意波形直接数字合成单元基于可编程逻辑器件实现。

本发明具有的优点效果：本发明设计了一种任意波形直接数字合成单元，通过在可编程逻辑器件中设置正弦波发生器阵列，该阵列包含n个正弦波发生器，通过配置每个正弦波发生器的幅值、相位和频率，产生n个可编程正弦波。此外，可编程逻辑器中还设置有一个n输入加法器，通过将n个可编程正弦波叠加起来，实现任意波形的直接数字合成。该单元特别适用于基于可编程逻辑器件的任意波形发生器，结构简单，通用性强，可广泛应用于工业领域。

附图说明

图1为基于FPGA和DAC的任意波形发生器示意图；

图2为一种任意波形直接数字合成单元结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的说明。

实施例一

本发明的技术方案：一种任意波形直接数字合成单元，所述任意波形直接数字合成单元基于可编程逻辑器件实现，任意波形直接数字合成单元的输入包括调幅因子矩阵(Coefficient Code Matr ix，简称CCM)、调频因子矩阵(Frequency Code Matr ix，简称FCM)和调相因子矩阵(Phase Code Matr ix，简称PCM)，任意波形直接数字合成单元的输出包括转换码值(DAC Code，简称DC)。

如图2所示，本申请提供的任意波形直接数字合成单元包含一个正弦波发生器阵列(SG)和一个加法器(AU)，所述正弦波发生器阵列SG包含n个正弦波发生单元，所述正弦波发生单元包含一个正弦波直接数字合成单元(DDS)和一个调幅单元(AM)。其中，正弦波直接数字合成单元包括调频因子引脚Δθ、调相因子引脚θ₀和DDS输出引脚Q；调幅单元包括调幅因子引脚α、AM输入引脚D_in和AM输出引脚D_out；加法器包括AU输入引脚AU_in和AU输出引脚AU_out，其中：

所述第i个正弦波发生单元SG(i)，1≤i≤n，调幅因子CCM(i)与对应的调幅单元AM(i)的α(i)相连接；调频因子FCM(i)与对应的正弦波直接数字合成单元DDS(i)的Δθ(i)相连接；调相因子PCM(i)与对应的正弦波直接数字合成单元DDS(i)的θ₀(i)相连接；正弦波直接数字合成单元DDS(i)的Q(i)与对应的调幅单元AM(i)的D_in(i)相连接；调幅单元AM(i)的D_out(i)与加法器的AU_in(i)连接；加法器的AU_out与转换码值DC相连接。

优选地，所述CCM、FCM和PCM的阶数n与正弦波发生器阵列的阶数n相等。

实际应用中，n大小可根据所需发生波形的保真度进行调整。

优选地，所述调幅因子CCM(i)表示的调幅系数的范围为/0,1]，1≤i≤n，且必须满足条件

优选地，所述加法器AU有n个输入信号AU_in(i)，1≤i≤n，输出AU_out与AU_in(i)之间的关系为

优选地，所述正弦波直接数字合成单元DDS(i)依据其频率控制字Δθ(i)和相位控制字θ₀(i)完成相位合成和幅值抽取，输出正弦波幅值信息Q(i)。

优选地，所述调幅单元AM(i)的输入包含调幅系数α(i)和输入码值D_in(i)，其输出码值D_out(i)与输入之间的关系可以表示为D_out(i)＝α(i)·D_in(i)。

综上所述，本发明提供一种任意波形直接数字合成单元，该单元基于可编程逻辑器实现，属于数字电路技术领域，可通过多个可编程正弦波叠加实现任意波形发生功能，显著提高了波形发生器的通用化水平，可广泛应用于工业领域。

实施例二

本发明特别适用于基于可编程逻辑器件和数模转换的任意波形发生过程。我们知道任意波形可以通过傅里叶级数展开成多个正弦波叠加的形式。我们以方波为例，其傅里叶级数展开式如公式(1)所示。

我们在已知方波傅里叶级数的情况下，可得到构成方波的每一个正弦波的幅值信息、频率信息和相位信息，进而可得到调幅因子矩阵CCM，调频因子矩阵FCM和调相因子矩阵PCM，并通过CPU依次将CCM、FCM和PCM写入到FPGA的指定寄存器中。FPGA内部配置有正弦波发生器阵列SG，其阶数和CCM、FCM和PCM的阶数一致，均为n(可依据发生任意波形的保真度进行配置)。SG中的第一个正弦波发生单元SG(1)的DDS(1)依据FCM(1)和PCM(1)合成相位，并以相位为索引抽取正弦波幅值信息Q(1)，SG(1)的AM(1)依据CCM(1)对Q(1)进行调幅，直接数字合成4/πsin(ωt)；同理，SG中的第二个正弦波发生单元SG(2)依据FCM(2)、PCM(2)和CCM(2)直接数字合成4/(3π)sin(3ωt)，SG中的第三个正弦波发生单元SG(3)依据FCM(3)、PCM(3)和CCM(3)直接数字合成4/(5π)sin(5ωt)，SG中的第四个正弦波发声单元SG(4)依据FCM(4)、PCM(4)和CCM(4)直接数字合成4/(7π)sin(7ωt)，依次类推，直到SG(n)直接数字合成最后一个正弦波。

FPGA内部还配置有一个n输入的加法器AU，其输入AU_in(i)分别与正弦波发生单元SG(i)的输出D_out(i)相连接，0≤i≤n，其作用是将所有正弦波发生单元直接数字合成的正弦波叠加起来，所以AU的输出AU_out就等于4/πsin(ωt)+4/(3π)sin(3ωt)+4/(5π)sin(5ωt)+4/(7π)sin(7ωt)+…，而AU_out与DC连接，所以因为所以AU_out不会溢出。最后，控制数模转换器将AU_out转换成电压信号，就得到了所需的方波信号。

其它任意波形的发生过程同方波一样。

综上所述，本发明属于数字电路技术领域，具体涉及一种任意波形直接数字合成单元。所述单元基于FPGA实现，其输入包含调幅因子矩阵(Coeffic ient Code Matr ix,简称CCM)，调频因子矩阵(Frequency Code Matr ix，简称FCM)和调相因子矩阵(Phase CodeMatr ix,简称PCM)，其输出包含转换码值(DAC Code,简称DC)。单元内部配置有一个正弦波发生器阵列和一个加法器，正弦波发生器阵列的阶数与调幅、调频和调相因子矩阵的阶数相等，每个波形发生器包含一个DDS单元和一个调幅单元。其中，DDS单元依据对应的调频和调相因子合成数字相位，并以数字相位为索引在查找表中抽取正弦波幅值信息；调幅单元实现DDS输出的正弦波幅值信息在[0,1]范围内的任意调幅；加法器将所有调幅单元的输出结果累加起来，生成转换码值DC。本发明基于FPGA实现，通过配置正弦波发生器阵列和加法器，实现了任意波形的直接数字合成，可应用于任意波形发生器，该方法通用化水平高，适应性强，可广泛应用于工业领域。

Claims (5)

1.一种任意波形直接数字合成单元，其特征在于，所述任意波形直接数字合成单元包含一个正弦波发生器阵列SG和一个加法器AU，所述正弦波发生器阵列SG包含n个正弦波发生单元，每个所述正弦波发生单元均包含一个正弦波直接数字合成单元DDS和一个调幅单元AM；其中，第i个正弦波发生单元包含的正弦波直接数字合成单元对应为DDS(i)，包含的调幅单元对应为AM(i)，其中，1≤i≤n；

其中，第i个正弦波发生单元对应的正弦波直接数字合成单元DDS(i)包括调频因子引脚Δθ(i)、调相因子引脚θ₀(i)和DDS(i)输出引脚Q(i)；第i个正弦波发生单元对应的调幅单元AM(i)包括调幅因子引脚α(i)、AM(i)输入引脚D_in(i)和AM(i)输出引脚D_out(i)；加法器AU包括AU输入引脚AU_in(i)和AU输出引脚AU_out，其中：

任意波形直接数字合成单元的输入包括调幅因子矩阵CCM、调频因子矩阵FCM和调相因子矩阵PCM，调幅因子CCM(i)与对应的调幅单元AM(i)的α(i)相连接；调频因子FCM(i)与对应的正弦波直接数字合成单元DDS(i)的Δθ(i)相连接；调相因子PCM(i)与对应的正弦波直接数字合成单元DDS(i)的θ₀(i)相连接；正弦波直接数字合成单元DDS(i)的Q(i)与对应的调幅单元AM(i)的D_in(i)相连接；调幅单元AM(i)的D_out(i)与加法器的AU_in(i)连接；加法器的AU_out与转换码值DC相连接；

α(i)为调幅单元AM(i)的调幅系数，D_in(i)为调幅单元AM(i)的输入码值，D_out(i)为调幅单元AM(i)的输出码值；

Q(i)为正弦波直接数字合成单元DDS(i)的正弦波幅值信息，θ₀(i)为正弦波直接数字合成单元DDS(i)的相位控制字，Δθ(i)为正弦波直接数字合成单元DDS(i)的频率控制字；

AU_in(i)为加法器AU的输入信号，AU_out为加法器AU的输出信号；

所述调幅因子CCM(i)表示的调幅系数的范围为[0,1]，1≤i≤n，且必须满足条件

所述正弦波直接数字合成单元DDS(i)依据其频率控制字Δθ(i)和相位控制字θ₀(i)完成相位合成和幅值抽取，输出正弦波幅值信息Q(i)。

2.根据权利要求1中所述的任意波形直接数字合成单元，其特征在于，调幅因子矩阵CCM、调频因子矩阵FCM和调相因子矩阵PCM的阶数n与正弦波发生器阵列的阶数n相等。

3.根据权利要求1中所述的任意波形直接数字合成单元，其特征在于，所述加法器AU有n个输入信号AU_in(i)，1≤i≤n，输出AU_out与AU_in(i)之间的关系为

4.根据权利要求1中所述的任意波形直接数字合成单元，其特征在于，所述调幅单元AM(i)的输入包含调幅系数α(i)和输入码值D_in(i)，其输出码值D_out(i)与输入码值D_in(i)之间的关系为D_out(i)＝α(i)·D_in(i)。

5.根据权利要求2中所述的任意波形直接数字合成单元，其特征在于，所述任意波形直接数字合成单元基于可编程逻辑器件实现。