基于FPGA的次聲波合成的電路設計

摘要：次聲波是頻率在10一～20Hz的波，在生物醫學、氣象學、軍事等領域有著廣泛應用前景，此頻段的信號無法通過天線直接發射。應用DDS原理產生2路相干超聲波，在空間干涉產生次聲波。主要完成了基于FPGA的DDS電路設計，并且完成了系統軟、硬件設計，通過Max+Plus11和Matlab的仿真表明該設計的原理正確、方案可行。

關鍵詞：次聲波；FPGA；DDS

次聲波是頻率在10-6～20 Hz之間的機械縱波。利用2個頻率不同的超聲波(頻率通常在2×104～5×108Hz范圍之間)在空間干涉組合可以形成次聲波。

　　目前，大多使用直接數字頻率合成(DDS)方法產生高頻波形。本文利用DDS原理，通過FPGA產生2個不同頻率的高頻信號，再經過換能器轉換成2路超聲波，在外部干涉合成次聲波。

1 DDS的基本原理和結構框圖

　　DDS(Direct Digital Synthesis)是從相位概念出發，將數字信號轉換成模擬信號來獲得所需波形的一種頻率合成技術。日前，使用最廣泛的是基于查找表(Look-Up-Table)結構的方法。圖1是DDS的基本原理圖。

　　DDS是由相位累加器(一個累加器、相位寄存器和加法器構成)、LUT(正弦查找表)、DAC(數／模轉換器)和LPF(低通濾波器)組成。該DDS系統的核心是相位累加器。

　　假設頻率控制字是M，相位累加器的長度為N。工作原理：每來一個時鐘fc，N位的相位寄存器以步長M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個周期正弦波的數字幅度信息，每個地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。正弦查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅動DAC，輸出模擬量。相位寄存器每經過2N／M個fc時鐘后回到初始狀態，相應地正弦查詢表經過一個循環回到起始位置。整個DDS系統輸出一個正弦波。
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　　輸出頻率：fo=fcM／2N；
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　　最小分辨率：△fmin=fc／2N。

　　由上面的公式可知，輸出頻率由頻率控制字M、相位累加器的長度N、時鐘fc決定。
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　　由于DDS的輸出最大頻率受奈奎斯特抽樣定理的限制，所以fmax=fc／2。
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　　2 次聲波合成基本原理
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　　次聲波的合成主要需要產生兩個同相、頻率差小于20 Hz的高頻正弦波。
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　　本文中，次聲波合成的基本框圖可由兩個DDS基本框圖構成。生成的高頻信號f0，f1通過外部換能器轉換成頻率差小于20 Hz的超聲波，經過干涉合成次聲波。如圖2所示。

　　3 用FPGA實現次聲波的合成
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　　3.1 FPGA的內部結構

　　利用FPGA設計次聲波的合成電路，可以把波形信息存儲在ROM中，通過修改ROM中的波形數據來實現靈活的頻率和相位要求。

　　本文中，利用LPM(參數化模塊庫)，通過設置LPM模塊的參數，來滿足設計要求。圖3是調用LPM模塊設計的生成雙路高頻信號的核心電路。此電路由4個加法器(LPM-ADD-SUB)，2個寄存器(LPM-DFF)及2個ROM(LPM-ROM)組成。F1[N..0]，F2[N..0]為雙路高頻信號的頻率輸入控制字，CLK為同步時鐘，T1[M..0]，T2[M..0]為輸出，可以接到D／A轉換器上。由于本設計不需要相位調制，所以沒有使用相位輸入控制字。

　　3.2 外圍電路控制

　　圖4為FPGA的外部控制電路。

　　利用鍵盤輸入雙路高頻信號的頻率、相位控制字，經過單片機輸入到FPGA，FPGA生成的2路高頻信號經過DAC轉換成模擬信號，通過LPF使波形更平滑，再通過外接換能器形成超聲波，經過干涉最終合成次聲波。

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　　4 仿真實驗

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　　4.1 Max+PlusⅡ仿真

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　　本設計中，時鐘頻率為1 MHz，相位累加器的長度N=16，LPM-ROM地址寬度為11位，數據寬度為ll位。

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　　(1) 正弦查找表的生成

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　　正弦查找表采用Altera的LPM-ROM模塊，完成信號相位／幅值的轉換功能。為了保證波形的平滑，設計時將一個周期分為2 048個點。并且利用C語言描述正弦方程，源程序如下：

　　把上述C程序編譯成程序后，再在Max+PlusⅡ編譯加上頭部說明的文件，生成.mif文件，程序如下：

　　(2) 仿真圖

　　仿真波形如圖5所示。

　　圖6是用Matlab調用ROM中的數據所生成的兩路具有頻差的正弦波形。圖7是次聲波波形。

　　本設計利用FPGA實現了滿足技術要求的DDS專用電路，生成具有自主知識產權的DDS發生器，可滿足國內應用集成DDS的諸多領域，并通過DDS產生2路高頻信號，在外部干涉，合成了次聲波。