欢迎网上投稿www.chinaaet.com《电子技术应用》2014年第40卷第3期PWM(PulseWidthModulation)脉宽调制技术是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，等效出所需要的波形[1]。PWM技术对波形调制的灵活性和通用性好，并且对硬件要求低，应用广泛[2]。目前的PWM信号发生器大多存在周期调节不方便、路数有限等问题，而随着大规模集成电路的发展，FPGA拥有了资源丰富、工作速度快、使用灵活、稳定性高等特点。在此基础上，本文提出了一种基于FPGA+PWM的多路信号发生器，结合二者的优势，产生波形、频率、幅度可独立调节的多路波形信号[3]。1原理分析根据面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同（冲量是指窄脉冲的面积；效果基本相同指的是输出响应波形基本相同）。基于该理论生成的PWM控制技术即是利用一系列等幅不等宽的脉冲（不同占空比的矩形波），经过一定的信号处理来生成所需的各种波形[4]。矩形脉冲如图1(a)所示，其函数为:f(t)=A(|t|<τ2)0(|t|>τ2)(1)其中，A表示矩形脉冲的幅值，τ表示脉宽，T为周期。矩形脉冲频谱如图1(b)所示，其函数为：F(jω)=AτSinωτ2(2)由图2(b)可知，矩形脉冲信号的主要能量集中在f为0~1τ的范围内，如果把此范围以外的信号消除，则主要信号能量M=τ/2-τ/2乙f(t)dt=Eτ(E表示脉冲信号能量强基于FPGA+PWM的多路信号发生器设计吴征，苏淑靖(中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051)摘要：基于运放的信号发生器精度低且稳定性和可调节性差，而基于DDS的信号发生器则成本高、电路复杂。为此提出了基于FPGA+PWM的多路信号发生器设计方法。该方法硬件上无需DAC与多路模拟开关，由FPGA产生调制输出波形信号所需的PWM脉冲波，经二阶低通滤波和放大电路后即可得到所需波形信号。实验证明，该多路信号发生器幅值分辨率高，频率精度高，且具有良好的直流性能，各通道可独立产生三角波、锯齿波、正弦波、方波且输出稳定。且其成本低，设计灵活，可扩展性强，可应用于各种场合。关键词：FPGA；PWM；多路并行；高精度；信号发生器中图分类号：TN787文献标识码：A文章编号：0258-7998(2014)03-0038-03AnFPGA+PWMbasedmulti-channelsignalgeneratorWuZheng，SuShujing(NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China)Abstract：Duetothelowaccuracy,badstabilityandreliabilityofsignalgeneratorbasedonoperationalamplifier,andhighcostandcomplexcircuitofsignalgeneratorbasedonDDS,adesignofsignalgeneratorbasedonFPGA+PWMisintroduced.WithoutDACandmulti-channelanalogswitch,thisdesignusesFPGAtogeneratePWMpulseswhichcanbeusedtogetwave-formsignalafterfilteredandamplified.Theexperimentalresultsshowthatthissignalgeneratorhashighresolutionofamplitudeandfrequency,andgoodDCperformance,andallofitschannelscanbecontrolledindependentlytogeneratevariouswaveform.Thisde-signishighlyexpansiveandflexible,anditscostislow,whichcanbeusedfordifferentoccasions.Keywords：FPGA；PWM；multi-channel；highaccuracy；signalgenerator集成电路应用ApplicationofIntegratedCircuits38

《电子技术应用》2014年第40卷第3期图4PWM发生器程序流程(a)PWM同期计数开始T_Counter1T（τ最大值为T）的信号滤除，最后经过驱动放大就可以得到所需要的信号波形[6]。图2所示为正弦半波的PWM调制过程。2电路实现本文设计的多路信号发生器使用计算机设置输出信号的波型、频率及幅值参数，由FPGA实现PWM脉冲的生成，最后经过滤波及放大电路得到所需波形。具体实现流程图如图3所示。2.1波形控制对于三角波的生成，需要脉宽参数按照先线性增大然后线性减小的规律来实现，其他波形(如矩形波、锯齿波等)可以用相同的原理实现。在实现正弦波信号时，需要计算出正弦信号表，根据波形信号的频率与幅度，通过查表的方式把RAM中的脉宽参数传递给PWM发生器，得到脉冲宽度按正弦变化的PWM脉冲波[7]。2.2PWM发生器在FPGA中利用计数器和比较器来产生PWM矩形脉冲波，如图4所示，在一个进程中用一个寄存器保存PWM周期参数T，T_Counter在系统时钟的驱动下进行自加，直到T_Counter=T时T_Counter复位为0，完成一次PWM周期；在另一个进程中通过比较T_Counter与脉宽参数PWM_Width，从而控制PWM脉冲波的脉宽；为了更新PWM_Width，在T_Counter计数到T-1时向波形控制单元报告单次脉冲结束，波形控制单元接收到结束标志后更新脉宽参数，使PWM发生器在下一周期产生新的PWM脉冲波。2.3滤波放大电路PWM输出的矩形脉冲要通过滤波放大才能输出所需的信号。本文设计的滤波放大电路为如图2所示的二阶低通滤波放大，其传递函数为：Au(s)=(1+RFR1)11+3sRC+(sRC)2(3)通带截止频率为：fP=0.37f0=0.372πRC(4)根据图5所示电路的幅频特性曲线和PWM波周期参数的设定值，选择合适的R、C即可把f>1T的信号能量滤除，同时调整RF与R1获得所需要的通带增益。2.4多路信号的产生单路信号的波形控制单元和PWM发生器仅需要很小的FPGA资源和一个I/O引脚就能实现，并且外部滤波电路占用的PCB面积也比传统DAC实现的信号发生器要小很多，所以只要把单路信号发生器进行简单的复制就能实现多路信号的产生，且各个通道之间具有很好的独立性，互不影响，这是FPGA相比其他控制芯片所具有的优势。3性能分析及测试3.1性能分析电路使用XC3S100E来实现FPGA控制单元的设计。图2正弦半波的PWM调制过程ωtωtOOuuuuOOωtωt图3电路结构集成电路应用ApplicationofIntegratedCircuits39

欢迎网上投稿www.chinaaet.com《电子技术应用》2014年第40卷第3期本文提出的特殊DA方案的基本结构主要包含K-LUT和I-LUT模块，重点讨论了4阶DLMS自适应滤波器的设计方案。通过验证，采用本DA方案设计基于FPGA的DLMS自适应滤波器相对于MAC方案具有更高的处理速度和更低的资源消耗。本方案推广到更高阶设计时，总体思路不变，但最好要对K-LUT和I-LUT模块进行分解，具体办法有待进一步探究。参考文献[1]HAYKINS.自适应滤波器原理(第四版)[M].郑宝玉，译.北京：电子工业出版社，2010.[2]ALLREDDJ，HEEJONGY，KRISHNANV，etal.Anovelhighperformancedistributedarithmeticadaptivefilterimple-mentationonFPGA[J].IEEESignalProcessing，2004，5(5)：161-165.[3]GuoRui，DEBRUNNERLS.Anoveladaptivefilterimple-mentationschemeusingdistributedarithmetic[J].IEEESignals，SystemsandComputers，2011，6(11)：160-164.[4]LongGuozhu，LingFuyun，PROAKISJG.TheLMSalgorithmwithdelayedcoefficientadaptation[J].IEEETransactionsonAcoustics，SpeechandSignalProcessing，1989，37(9)：1397-1405.[5]UWEMB.Digitalsignalprocessingwithfieldprogrammablegatearrays[M].ThirdEdition.GermanyBerlin：Springer-Verlag，2007.[6]ALLREDDJ，YOOH，KRISHNANV，etal.LMSadaptivefiltersusingdistributedarithmeticforhighthroughput[J].IEEETransactionsonCircuitsandSystems，2005，52(7)：1327-1337.(收稿日期：2013-11-05)作者简介：李锋，男，1970年生，博士，硕士生导师，副教授，主要研究方向：光电信息处理。邱陈辉，男，1988年生，硕士研究生，主要研究方向：基于FPGA的数字信号处理。徐祖强，男，1988年生，硕士研究生，主要研究方向：数字信号处理及其FPGA实现。(上接第37页)图5二阶低通滤波放大幅频特性曲线0.1fP/fO110f/f00-10-20-30-40-9.5dB20lgA觶vA觶vp/dB-40dB/十倍频XC3S100E有108个可分配的用户引脚，使用28个作为通信端口，剩余80个引脚进行PWM脉冲信号调制输出；电路使用fosc=120MHz的外部晶振，经内部DCM（时钟控制管理模块）倍频后获得240MHz的系统时钟。设置PWM脉冲发生计数器位数为N=14bit。滤波电路通带增益设置为1（Rf=0，断开R1），所实现的信号发生器主要性能参数如下：(1)PWM矩形脉冲波的频率：fPWM=fosc×22N≈14.648kHz(5)(2)带宽：Fw=1T≈14.648kHz。(3)输出通道：CH=80。(4)垂直分辨率：DAC=12N=116384(PWM脉冲波的脉宽变化单位为1)。(5)水平分辨率：HA=12N≈0.0000610s。(6)输出幅度：0~3.3V。3.2信号输出测试通过上位机设置各个通道的波形参数，利用TektronixTDS100B(40MHz，500MS/s)示波器测量各通道的输出波形，得到如图6所示波形信号输出。从图6中可以看出，信号源输出波形光滑，频率稳定度高，而且各通道工作独立性高，波形、频率、幅度均可独立调节，满足设计要求。基于FPGA+PWM的多路信号发生器的设计结合了FPGA与PWM技术的优势，可同时输出80路信号，各路信号的波形、频率、幅值均可独立调节。实验证明，该信号发生器具有良好的直流性能，其精度可达到0.2mV，图6信号发生器的输出波形(a)锯齿波(b)三角波(c)正弦波(d)方波(下转第44页)≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈≈集成电路应用ApplicationofIntegratedCircuits40

欢迎网上投稿www.chinaaet.com《电子技术应用》2014年第40卷第3期(上接第40页)同时可产生良好的三角波、锯齿波、正弦波、方波，还可通过上位机产生任意波形信号，输出稳定，频率精度高。其成本低，设计灵活，可扩展性强，可应用于工业控制、LED阵列控制以及测量、通信等各种不同的场合。参考文献[1]吴铁峰，张鹤鸣，胡辉勇.一种电流模式多输入可控PWM比较器设计[J].电子器件，2010，33(1)：81-84.[2]梁磊,王树强,许芹.多路PWM信号产生算法研究[J].电气电子教学学报，2008，30(4)：47-49.[3]徐哲，魏民祥.一种实用的变占空比PWM信号Simulink实现方法[J].制造业自动化，2013，35(12)：33-35.[4]侯俊生，唐露新.基于PWM的强抗干扰A/D转换电路[J].电子技术应用，2012，38(7)：37-43.[5]张宣妮，王明军，鲁帆.基于FPGA的全数字脉宽调制器[J].计算机仿真，2009，26(11)：347-348.[6]崔玉娟，吕运朋，李超.CPLD实现直流伺服电机PWM发生器[J].电测与仪表，2010，47(3)：73-74.[7]田开坤.单片机驱动CPLD的PWM正弦信号发生器设计[J].电子制作，2011(4)：23-24.(收稿日期：2013-12-04)作者简介：吴征，男，1989年生，硕士研究生，主要研究方向：电路系统检测与诊断技术、通信技术。苏淑靖，女，1971年生，副教授，硕士生导师，主要研究方向：感知与探测、信号处理。图8综合占用资源图最高频率为120MHz，满足设计的要求。参考文献[1]高文，赵德斌，马思伟.数字视频编码技术原理[M].北京：科学出版社，2010.[2]李文军，王祖强，徐辉，等.基于FPGA的AVS帧内预测电路设计[J].电子技术应用，2013，39(8)：50-53.[3]AVS工作组.信息技术先进音视频编码：视频[M].北京：中国标准出版社，2006.[4]刘海鹰，张兆杨，沈礼权.基于FPGA的H.264变换量化的高性能的硬件实现[J].中国图象图形学报，2006，11(11)：1636-1639.[5]黄学超，张卫宁.AVS编码变换量化和扫描硬件设计与实现[J].电气电子教学学报，2011，33(2)：34-37.[6]白玉婷.AVS编码器关键模块的硬件设计[D].太原：太原理工大学，2012.[7]WangLeirui，ZhangZhaoyang，TengGuowei，etal.HardwareimplementationoftransformandquantizationforAVSencoder[C].ICALP2008，2008：843-847.(收稿日期：2013-12-16)作者简介：杨洪敏，女，1988年生，硕士研究生，主要研究方向：ASIC设计及视频编解码技术。王祖强，男，1957年生，教授，硕士生导师,主要研究方向：电子设计自动化(EDA)及ASIC设计。!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!集成电路应用ApplicationofIntegratedCircuits"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#"""""""""""""""""""""""#"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#"""""""""""""""""""""""#Mouser为您呈上开发关键之STMicroelectronicsNucleo开发板贸泽电子(MouserElectronics)现库存并供应STMicroelectronics新型Nucleo开发板。此类开发板专为欲使用ST的STM32产品系列(具有ARMCortexM0、CortexM3及CortexM4微控制器)进行开发的人士而设计，并与多种扩展板兼容。Mouser提供的STMicroelectronics新型Nucleo开发板支持开发及评估ST的32位STM32微控制器。此新型开发板具有其他微控制器开发生态系统所不具有的多项高级特性。除了惯有的按钮、LED和一个USB调试接口的组合外，Nucleo板还独具特色地配有两组扩展接口。第一组扩展接口位于开发板外缘，是Nucleo开发板上的标准接口。这些接口使得在测试及开发过程中可以轻松访问目标微控制器的所有外围设备。第二组扩展接口嵌套在第一组扩展接口内部，兼容ArduinoTMshield板。此类接口支持使用ArduinoUnov3扩展板（称为“Arduinoshield板”），使得ST的Nucleo板可以访问数十个兼容Arduino的扩展板，增加了访问量。Arduinoshield板支持多种应用，包括以太网、LCD显示器、GSM语音及数据通信、ZigBee通信、WiFi网络连接、电机控制、音乐及声音合成器等。Nucleo开发板与数家开发工具供应商的产品兼容，包括IARSystems和KeilTools的C编译器。Nucleo开发板也支持基于GNU的免费集成开发环境(IDE)。Nucleo开发板还支持免费mbedIDE，从而快速、轻松地实现目标微控制器的拖放编程。此外还支持ST-LINK调试器，在开发板上配备时还可不使用USB连接器，ST的其他产品也支持此调试器。此首款Nucleo开发板支持的微控制器包括84MHzSTM32F401，这是一款基于ARMCortexM4的高性能微控制器。Mouser于2014年2月25～27日参加在德国举办的EmbeddedWorld嵌入式展，展会期间免费发放价值两万美元的开发工具，其中也包括STNucleo开发板。(贸泽电子供稿)44