张传胜

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033）

1 引 言

目前，随着电子设计自动化技术的发展，特别是现代仿真和测试技术的发展，激光器控制系统对波形发生装置的需求越来越复杂，传统的函数发生器虽然性能优越，却无法满足激光器控制系统的实际测试需求，同时成本也较高。利用FPGA芯片作为处理核心，配置成直接数字式频率综合器是一种新颖的频率合成技术，在专用的测试场合得到了快速的发展。这种方法具有适合复杂控制信号、输出稳定度高等优点。但由于FPGA芯片在触控式人机交互界面的方面设计比较复杂，因此一般不具备良好的操作性和扩展性。本文基于Samsung公司的S3C2440处理器和Altera公司的FPGA芯片设计了一种可视化多功能波形发生器的解决方案［1－5］。其中S3C2440处理器负责处理人机交互，FPGA芯片负责频率合成。在使用可视化多功能波形发生器时利用触摸屏输入需要的参数，即可实现特定波形的输出。

2 总体设计

平台的硬件部分由S3C2440微处理器、Altera公司的 FPGA 芯片 EPF10K10LC84－4、480×272分辨率的TFT液晶屏、电阻式触屏、FLASH 存储器等组成［6－11］。总体硬件设计如图1所示。

图1 总体硬件设计Fig.1 Hardware design

系统通过触摸屏设定控制参数，并把频率和相位参数传递给FPGA模块，生成波形信号的频率和相位，同时把幅度参数传给DAC0832，得到波形的振幅，进而生成需要的波形信号。

由于S3C2440集成了液晶屏连接模块、触屏A／D转换模块、JATG开发接口、串口通信模块和NAND FLASH 存储器接口，只需要驱动DAC0832，并把FPGA模块设定成DDS即可。

系统的主控界面如图2所示，在此界面中可以设定波形样式及其参数。

图2 参数输入的界面Fig.2 Parameter input interface

3 DDS设计

预定波形的形成是由FPGA芯片定制的直接数字式频率综合器DDS（Direct Digital Synthesizer）完成的，其实质是一种分频器，通过编程频率控制字来分频系统时钟进而产生所需的频率。

DDS有两个突出的特点：一方面，由于频率控制字的宽度宽（48bit或者更高），频率分辨率高；另一方面，DDS工作在数字域，一旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其跳频速率高。

其工作原理如图3所示。

图3 DDS工作原理Fig.3 Principle of the DDS

每当一个时钟脉冲Fc到来，则N位加法器将频率控制数据K 与累加寄存器输出的累加相位数据进行相加，并把相加的结果Y送至累加寄存器的输入端。

累加寄存器的作用有2个方面，一方面将新产生的相位数据反馈给N位加法器的输入端，以使N位加法器在下一时钟到来时继续与频率控制数据K相加；另一方面将这个新产生的相位数据作为取样地址值送入幅度／相位转换电路，幅度／相位转换电路根据这个地址找到相应的波形数据。该波形数据经过D／A转换器和低通滤波器处理后形成所需要的波形。

相位累加器在基准时钟Fc的作用下，进行线性累加，每当相位累加器加满溢出，DDS就完成了一个周期的波形输出。

图4 波形仿真效果Fig.4 Waveform simulation results

由于在Altera公司的FPGA资源库中有现成的DDS IP模块，因此本系统直接利用Altera公司的FPGA资源库中给定IP核进行构建，然后通过ModelSim仿真软件进行仿真，仿真结果如图4所示。

4 软件设计与实测

由于使用S3C2440处理器和FPGA构成DDS系统，因此外围电路变得异常简单。整个波形发生器的主程序只需要对S3C2440处理器进行控制即可。其中DDS系统与单片机的接口用VHDL语言编写。系统通过触摸屏设定控制参数，并把频率和相位参数传递给FPGA模块，生成波形的频率和相位，同时把幅度参数传给DAC0832，获得波形的振幅信息，进而生成需要的波形信号。算法流程如图5所示。

图5 控制算法Fig.5 Control algorithm

系统的波形信号通过数字示波器监测进行效果验证，测试结果如图6所示。

图6 通过示波器实测的效果Fig.6 Measurement result displayed in the oscilloscope

由于DAC0832是8位分辨率，每次转换时间为最短为0.1μs，因此本系统的输出波形最大频率不能超过5MHz。从图中可以看出，系统在输出5MHz波形的情况下可以很好地满足激光器控制信号的实际需求。

5 结 论

上述可视化多功能波形发生器采用S3C2440处理器驱动TFT液晶屏、触摸屏，并利用EPF10K10LC84－4芯片按照Altera公司的FPGA资源库中给定IP核定制出适合的DDS，实现多功能波形发生器的功能，适用于控制系统中有多种波形需求的场合。通过仿真和实际应用测试结果可知，可视化多功能波形发生器可以满足激光器控制系统的需求，具有成本低、实用性强、可定制、方便调试的优点。

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