Автор: Масякин Е.А.
Источник: Информатика и компьютерные технологии / Материалы V международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых - 24-26 ноября 2009 г., Донецк, ДонНТУ. - 2009. - 521 с.
УДК: 004.383.3
РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРА СИГНАЛОВ НА БАЗЕ ОТЛАДОЧНОГО
FPGA-КОМЛПЛЕКСА
Масякин Е.А. ДонНТУ, г.Донецк
Генераторы сигналов являются одним из основных средств, предназначенных для технического обслуживания, ремонта, проведения измерений и исследований в различных областях науки, промышленности и связи.[1, с. 78]
За последние годы произошли серьёзные изменения в подходе к функциональности генераторов сигналов. Если десять лет назад генераторы можно было разделить на такие группы: синтезаторы, генераторы шума, генераторы синусоидальных сигналов, импульсные генераторы, генераторы сложных сигналов, ВЧ генераторы, то в настоящий момент, в связи с бурным ростом цифровой и микропроцессорной техники, развитием программных технологий появилась возможность создания нового класса генераторов, объединяющего в себе все ранее существующие типы генераторов.
Большая часть современных цифровых генераторов сигналов построена по методу прямого цифрового синтеза частоты (DDS, англ. Direct Digital Synthesis). Суть этого метода заключается в том, что выходной сигнал формируется непосредственно цифровыми методами. Схематически изобразить принцип работы генераторов сигналов, работающих по методу DDS можно изобразить так:
Рисунок 1 – Метод прямого цифрового синтеза частоты
Hа выходе ЦАП должен присутствовать ФНЧ для подавления образов выходного спектра, повторяющихся с периодичностью FCLK (anti-aliasing filter).
Подобная технология обладает как рядом преимуществ, среди которых: высокая точность, стабильность, надежность устройства, высокая чистота генерируемого сигнала, высокая скорость перестройки частоты (фазы), так и существенными недостатками: согласно теореме Котельникова диапазон частот дискретизации сигнала ограничен половиной тактовой частоты устройства (в большинстве реальных устройств он значительно ниже). Такое ограничение формирует достаточно высокие требования к производительности систем, на базе которых реализуются подобные устройства:
- высокая тактовая частота работы;
- высокая скорость взаимодействия с памятью устройства;
- наличие быстродействующего ЦАП.
Исходя из требований, можно отметить, что FPGA-технология выглядит одной из наиболее перспективной для дальнейшего развития данного направления цифровой схемотехники, так как она предоставляет возможность создания недорогих устройств с достаточно высокой производительностью и аппаратной реализацией алгоритмов обработки сигналов.
Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС, англ. programmable logic device, PLD) — это электронный компонент, используемый для создания цифровых интегральных схем. В отличие от обычных цифровых микросхем, логика работы ПЛИС не определяется при изготовлении, а задаётся посредством программирования (проектирования). Для программирования используются отладочные среды, позволяющие задать желаемую структуру цифрового устройства в виде принципиальной электрической схемы или программы на специальных языках Verilog, VHDL. Альтернативой ПЛИС являются заказные БИС (большие интегральные схемы), которые при мелкосерийном и единичном производстве существенно дороже, и компьютеры (микроконтроллеры), которые из-за программного способа реализации алгоритмов медленнее ПЛИС. Отличительной чертой большинства ПЛИС помимо быстроты вычислений за счет аппаратной реализации алгоритмов, является также низкое энергопотребление, что делает их также экономичными и дружественными для экологии электронными компонентами.
Среди ведущих производителей ПЛИС следует назвать корпорации Altera, Xilinx, Atmel, Actel. На сегодняшний день они предлагают спектр FPGA-плат различной степени сложности, а как следствие, и стоимости, и находят широкое применение в цифровой обработке сигналов, цифровой видео-аудио аппаратуре, высокоскоростной передаче данных, криптографии, бортовых устройствах навигации и многих других сферах.
В качестве базы для реализации проекта генератора сигналов был выбран отладочный FPGA-комплекс Spartan 3E, производителем которого является Xilinx. Эта ПЛИС обладает следующими отличительными свойствами:
- наличие ЦАП (DAC, англ. Digital-to-Analog Converter);
- высокая производительность;
- наличие достаточного количества элементов управления;
- наличие большого количества интерфейсов для связи с PC;
- низкая цена.
Совокупность аппаратно-программного обеспечения генератора сигналов составят:
- непосредственно генератор на базе Spartan 3E;
- фильтр низких частот;
- пользовательское приложение, позволяющее контролировать работу генератора и обеспечивать управление устройством.
Таким образом, проектируемая система генератора сигналов имеет структуру, приведенную на рисунке 2. Подобная структура предоставляет достаточно широкую гибкость в использовании устройства. Наличие элементов управления в структуре непосредственно платы позволяет использовать генераторов сигналов автономно, то есть, без постоянного подключения к персональному компьютеру. В качестве стандартных интерфейсов передачи данных между PC и компактной частью генератора сигналов может выступать Ethernet либо COM – порт.
Рисунок 2 – Проектируемая система генератора сигналов
В качестве объекта исследования могут выступить алгоритмы генерации нестандартных сигналов, применимые в базисе ПЛИС Spartan 3E, а также способы реализации синтеза частоты (фазы). Помимо DDS, описанного выше, существуют и другие достаточно эффективные методы. Выяснить какой из них является наиболее продуктивным для подобных целей, либо оптимизировать метод для работы на FPGA платформе представляется нестандартной и интересной задачей.
Использованная литература:
- Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. вузов / под ред. В.И. Винокурова – 2е изд. перераб и доп. – М.:Высш шк., 1986. – 351с.
- Spartan-3E starter kit web page – URL: http://www.xilinx.com/products/devkits/HW-SPAR3E-SK-US-G.htm
- Ридико Л. DDS: прямой цифровой синтез частоты / журнал Компоненты и технологии №8 2001 : URL: http://www.kit-e.ru/articles/memory/2001_08_50.php