计算机仿真软件Multisim10在电子系_省略_于FPGA的直接数字频率合成系
- 格式：pdf
- 大小：1.37 MB
- 文档页数：2
引言
ＥＤＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）
技术已经在电子设计领域得到广泛应用，它借助计算机存储量大、运行速度快的特
点，可对设计方案进行人工难以完成的模
拟评估、设计检验、设计优化和数据处理
等工作。
一台电子产品的设计过程，从概
念的确立，到包括电路原理、ＰＣＢ版图、单
片机程序、机内结构、ＦＰＧＡ的构建及仿
真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分
析在内的物理级设计，再到ＰＣＢ钻孔图、
自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装
配图等生产所需资料等等全部在计算机上
完成。
本文将用计算机仿真软件Ｍｕｌｔｉｓｉｍ
１０设计一基于ＦＰＧＡ的直接数字频率合成
系统，介绍电子系统设计的主要过程。
一．Multisim 10和DDS 原理简介
１． Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０简介
Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０是一个完整的系统设计工
具系统，提供了庞大的元件数据库，并提
供原理图输入接口，全部的数模ｓｐｉｃｅ仿真
功能，ＶＨＤＬ／Ｖｅｒｉｌｏｇ设计接口与仿真功
能，ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ综合，ＲＦ射频设计能力
和后处理功能，还可以进行从原理图到ＰＣＢ
布线工具包的无缝隙数据传输。
Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０提
供全部先进的设计功能，满足从参数到产品的
设计要求。
２． 直接数字频率合成（ＤＤＳ）简介
直接数字频率合成（ＤＤＳ）技术是６０
年代末出现的第三代频率合成技术，以
Ｎｙｑｕｉｓｔ时域采样定理为基础，在时域中进
行频率合成。
ＤＤＳ具有相对带宽很宽，频
率转换时间极短（可小于２０ｎｓ），频率分辨
率可以做到很高（典型值为０．００１Ｈｚ）等优
点；另外，全数字化结构便于集成，输出
相位连续，频率、相位、幅度都可以实现
程控，通过更换波形数据可以轻易实现任
意波形功能。
（１） ＤＤＳ基本原理及性能特点：
相位累加器由Ｎ位加法器与Ｎ位累加寄存器级联构成。
相位累加器在每一个时钟脉冲ｆｓ输入时，把频率控制字ｋ累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是ＤＤＳ输出的信号频率。
用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ＲＯＭ）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。
波形存储器的输出送到Ｄ／Ａ转换器，Ｄ／Ａ转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。
低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。
（２） ＤＤＳ的输出频率计算ＤＤＳ的输出频率为：Ｆｏｕｔ＝Ｍ＊Ｆｃｌｋ／（２＾Ｎ）
，这里Ｍ为频率控制字，Ｎ为相位累加器的位数，ｆｃｌｋ为基准时钟。
由于基准时钟ｆｃｌｋ一般是固定的，因此相位累加器的位数就决定了频率分辨率。
在这里我们取Ｎ＝１６，即相位累加器为１６位，那么频率分辨率就可以认为是１６位。
位数越多，分频率越高。
二．系统设计全流程设计任务：用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０设计一个基于ＦＰＧＡ的直接数字频率合成实验系统。
本系统基于直接数字频率合成技术，以８０５１单片机为控制核心，通过８０５１单片机控制频率控制字实现频率合成；经低通滤波器滤除噪声和杂散信号就可得到比较纯正的正弦信号。
设计目标为：可以实现稳定的正弦波输出，输出频率范围是１００Ｈｚ～２５．５ＫＨｚ，且频率可调（步进１００Ｈｚ），频率控制字由单片机产生。
１．ＤＤＳ芯片设计流程：ＤＤＳ芯片的构建由Ｍｕｌｔｉｖｈｄｌ来完成（Ｍｕｌｔｉｖｈｄｌ是Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０的一个附属工具，用于实现ｖｈｄｌ语言的编程，仿真，最后通过制作一元件的形式在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０中完成系统的仿真，在实际中相当于设计一具有相应功能的可编程逻辑器件）。
各模块实现原理分析和说明如下：（１）相位累加器由加法器和寄存器构成加法器的一个输入与寄存器输出相连，另一个输入是外部输入的频率控制字。
这样，在每个时钟到达时，相位寄存器采样上个时钟周期内相位寄存器的值与频率控制字之和，并作为相位累加器在这一时钟周期的输出。
频率控制字决定了相应的相位增量，相位累加器则不断地对该相位增量进行线性累加，当相位累加器积满两时就会产生一次溢出，从而完成一个周期性的动作，这个动作周期即是ＤＤＳ合成信号的一个频率周期。
（２）波形存储器设计
波形存储器的作用是完成相位到幅度的转换。
将相位累加器输出的相位数据作为取样地址，来寻找正弦ＲＯＭ表进行相位到幅度的变换，输出不同的幅度编码。
（３）相位累加器和波形存储器在Ｍｕｌｔｉｖｈｄｌ中的编写，调试和仿真过程如图２。
（４）将编写调试完成的相位累加器和波形存储器模块在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０中生成元件以供调用。
最终生成的ＤＤＳ芯片如图３中所示。
２．数模转换及滤波输出电路模块设计通过ＤＡＣ可将数字量形式的波形幅值转换成所要求的合成频率模拟量形式信号，低通滤波器用于衰减和滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。
在Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０中具有快捷的滤波器编辑器，利用它可以方便，快速，准确的设计滤波器。
下图３中的低通滤波器即是笔者用该编辑器设计的低通滤波器，其截止频率位３０ｋｈｚ，当然我们也可以设计得更精确一些，而这是以提高滤波器的复杂性为代价的。
３．用８０５１单片机连接ＤＤＳ芯片构建系统ＭｕｌｔｉＭＣＵ是Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０中的一个单片机仿真工具，它支持８×５１，８×５２及部分ＰＩＣ单片机。
汇编与仿真同在一个窗口，可以实现程序的即时编写即时仿真，修改调试方便，非常适合相关专业人员的程序调试和高校的辅助教学。
本文中为了充分发挥芯片的高速性能，８０５１与ＤＤＳ芯片的连接采用并行接口方式。
８０５１单片机与ＤＤＳ芯片的连接如图３所示。
４．单片机软件设计
ＤＤＳ频率控制字存放在３０ｈ开始的单元中。
８０５１主要用于将从键盘输入的数字输出到Ｐ１口作为ＤＤＳ芯片的频率控制字，并将频率值通过数码管显示出来。
程序工作流程依次为：程序开始、初始化动作、读取键值、频率字输出、程序结束等。
至此整个系统硬件以及软件已设计完成。
三. 仿真结果输出，测试及验证
Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器仪表，实现了集元器件和仪器于一体。
Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０的虚拟仪器仪表库种类齐全，有一般的实验用通用仪器，如数字万用表、函数信号发生器、功率计、示波器等，还有一般实验少用或者没有的仪器，如波特图示仪、逻辑分析仪、ＩＶ特性分析仪、频谱分析仪、网络分析仪、安捷伦示波器、实时测量探针等。
这些虚拟仪器与实际显示仪器的面板以及基本操作都非常相似，它们可用于模拟、数字、射频等电路的测试。
本次设计我们用逻辑分析仪测试ＤＤＳ芯片的功能，用示波器观察输出波形，用滤波器测量频率。
测试过程方便快捷。
当按下仿真按钮时，一个标准的正弦波就呈现在眼前。
通过频率计测量，输出的正弦波频率与理论计算一致。
仿真结果如下图４所示。
计算机仿真软件Ｍｕｌｔｉｓｉｍ １０在电子系统设计中的应用——基于ＦＰＧＡ的直接数字频率合成系统的仿真设计
马彦庆 梁虎 聂典 解放军理工大学通信工程学院 ２１０００７
DOI ：10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.045
四.结束语
本文介绍利用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ１０设计出基于ＦＰＧＡ的直接数字频率合成系统的全流程。
与传统电子电路设计方法相比具有如下特点：可以边设计边调试；设计的元器件及测试仪器仪表齐全可以完成各种类型的电路设计；可以方便地对电路参数进行测试和分析；可以直接打印输出实验数据，测试参数，曲线和电路原理图；设计中不消耗实际的元器件，所需元器件的种类和数量不受限制，设计成本低，速度快，效率高；设计成功的电路可以直接在产品中使用。
图2 相位累加器及波形存储器的调试和仿真过程图
图3 8051单片机与DDS 芯片的连接关系图
图4 DDS 芯片仿真结果图。
