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基于FPGA的高精度正弦信号发生器设计与实现

清华大学 辅仁网/2017-07-07

基于FPGA的高精度正弦信号发生器设计与实现
彭卓1,2,邓焱1(),马骋1,熊剑平1,尹永利2
2. 中国航天员科研训练中心, 北京 100094
FPGA based high precision sinusoidal signal generator
Zhuo PENG1,2,Yan DENG1(),Cheng MA1,Jianping XIONG1,Yongli Yin2
1. State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of Precision Instruments, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. Astronaut Center of China, Beijing 100094, China

摘要:
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文章导读
摘要地震数据采集系统自检时需要总谐波失真小于 -106 dB的高保真正弦信号,一般采用24位ΔΣ数模转换器来产生,关键技术是如何生成驱动ΔΣ数模转换器的位流。该文提出一种由正弦数据存储器、插值滤波器和ΔΣ调制器组成的位流生成器,重点介绍了插值滤波器和ΔΣ调制器的设计思路、仿真方法及其在现场可编程门阵列(FPGA)中借助DSP Builder工具实现的方法。实测结果表明: 该位流生成器可以驱动一块ΔΣ数模转换器产生31.25 Hz、 峰峰值3.96 V的高保真正弦信号,信噪比达到111.4 dB, 总谐波失真达到-121.0 dB, 满足地震数据采集系统自检的要求,并且具有结构简单、可编程和开发周期短的优势。

关键词 地震数据采集,正弦信号发生器,ΔΣ调制器,现场可编程门阵列(FPGA)
Abstract:A 24-bit sigma-delta digital-to-analog converter (DAC) is used to produce high precision sinusoidal signals with low total harmonic distortion (usually less than -106 dB) for seismic data acquisition system self-tests. The key problem is to convert the sinusoid to a sigma-delta bit stream to drive the sigma-delta DAC. This paper presents a field-programmable gate array (FPGA) based bit stream generator which is composed of a sinusoidal data memory, an interpolation filter and a sigma-delta modulator. This paper focuses on the design and simulation methods for the interpolation filter and the sigma-delta modulator and the whole system implementation using the DSP Builder in FPGA. Tests show that the bit stream generator can drive a 24-bit sigma-delta DAC to produce a 31.25 Hz, 3.96 V peak-peak voltage sinusoidal signal with -121.0 dB total harmonic distortion and 111.4 dB signal-to-noise ratio, which meets the needs for seismic use. The design is simple, programmable and easy to implement.

Key wordsseismic data acquisitionsinusoidal signal generatordelta-sigma modulatorfield-programmable gate array (FPGA)
收稿日期: 2013-05-23 出版日期: 2015-04-16
ZTFLH: 
基金资助:
引用本文:
彭卓, 邓焱, 马骋, 熊剑平, 尹永利. 基于FPGA的高精度正弦信号发生器设计与实现[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 197-201.
Zhuo PENG, Yan DENG, Cheng MA, Jianping XIONG, Yongli Yin. FPGA based high precision sinusoidal signal generator. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2014, 54(2): 197-201.
链接本文:
http://jst.tsinghuajournals.com/CN/ http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2014/V54/I2/197


图表:
位流生成器的结构框图
数字插值滤波器结构
3阶CIFB型ΔΣ调制器拓扑结构
参数
a1 0.125 722 395 773 830
a2 0.237 681 484 207 590
a3 0.201 902 444 368 128
b1 0.125 722 395 773 830
c1 0.288 682 654 030 458
c2 0.305 970 726 310 905
g1 0.000 295 309 968 229 897


3阶CIFB型ΔΣ调制器参数计算值
DSP Builder中的位流生成器硬件模型
位流生成器模型的硬件模型仿真结果
实测正弦信号发生器输出波形的频谱


参考文献:
[1] 罗维炳, 刘益成. 信号处理与过抽样转换器 [M]. 北京: 电子工业出版社, 1997. LUO Weibing, LIU Yicheng. Signal Processing and Over-Sampling Converter [M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 1997. (in Chinese)
[2] SY/T5391-2007. 石油地震数据采集系统[S]. 北京: 国家发展和改革委员会, 2008. SY/T5391-2007. Petroleum Seismic Data Acquisition System[S]. Beijing: National Development and Reform Commission, 2008. (in Chinese)
[3] 刘益成, 易碧金, 罗福龙. 地震数据采集系统谐波畸变测试方法研究[J]. 石油物探, 2006, 45(4): 431-443. LIU Yicheng, YI Bijin, LUO Fulong. Testing method for harmonious distortion of seismic data acquisition system[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2006, 45(4): 431-443. (in Chinese)
[4] YU Zhuan, WU Jie, XIE Mingpu, et al.Implementation of distributed high precision real-time data acquisition system [C]//Proceedings of 2009 16th IEEE-NPSS Real Time Conference. Beijing: IEEE Press, 2009: 446-449.
[5] 韦康, 邓焱, 汪海山. 地震勘探数字滤波芯片CS5376与FPGA的接口设计[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2009, 49(5): 76-79. WEI Kang, DENG Yan, WANG Haishan. Design interface between seismic exploration digital filter chip CS5376 and FPGA[J]. J Tsinghua Univ: Sci and Tech, 2009, 49(5): 76-79. (in Chinese)
[6] 刘益成. 基于带通Σ-Δ调制技术的正弦信号发生器[J]. 长江大学学报: 自然科学版, 2006, 3(1): 43-44. LIU Yicheng. Sine signal generators based on bandpass Σ-Δ modulator[J]. Journal of Yangtze University: Nat Sci Edit, 2006, 3(1): 43-44. (in Chinese)
[7] Cheung R C C, Pun K P, Yuen S C L, et al. An FPGA-based re-configurable 24-bit 96 kHz sigma-delta audio DAC [C]//Proceedings of 2003 IEEE International Conference on Field-Programmable Technology. Tokyo, 2003: 110-117.
[8] SONG Hongzhi, WU Jie, MA Yichao, et al. An FPGA-based 7-order 1-bit sigma-delta modulator for high-precision signal generation [C]//Proceedings of 9th International Conference on Electronic Measurement and Instruments. Beijing, 2009: 4160-4164.
[9] CHEN Run, LIU Liyuan, LI Dongmei. A novel multi-stage interpolation filter design technique for high-resolution Σ-Δ DAC[J]. Chinese Journal of Semiconductors, 2007, 28(11): 1735-1741.
[10] Schreier R. Understanding Delta-Sigma Data Converters[M]. New York: Wiley, 2005.
[11] 谢然, 李玉惠, 沈慧, 等. 基于DSP Builder的双三次插值算法FPGA实现的研究[J]. 云南大学学报: 自然科学版, 2009, 31(S2): 85-89. XIE Ran, LI Yuhui, SHEN Hui, et al.A study on FPGA implementation of bi-cubic interpolation algorithm based on DSP builder[J]. Journal of Yunnan University: Natural Sciences Edition, 2009, 31(S2): 85-89. (in Chinese)
[12] Hogenauer E B. An economical class of digital filters for decimation and interpolation[J]. IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1981, 29(2): 155-162.


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[1]王振波, 张君, 罗孙一鸣. 喷水法成型纤维网增强水泥基板材抗弯性能[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(5): 551-555.
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[3]刘佳君, 孙振国, 张文增, 陈强. 两端吸附式爬壁机器人机械臂运动误差修正算法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 185-190.
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[6]黄超, 黄全义, 申世飞, 疏学明. 突发事件案例表示方法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 149-152.
[7]蔡东阳, 卓子寒, 王婕, 武建安, 唐劲天. 基于模拟退火算法的磁感应治疗热籽分布[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 153-158.
[8]陈利高, 刘晓波, 龚建, 王侃, 董传江, 荣茹, 鲁艺. 中子多重性探测器搭建及参数标定[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 159-163.
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[10]刘伟强, 蒲婷, 顾洪生, 廖振华, 姜锦鹏. 中国人颈椎间盘尺寸分析[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(2): 172-177.
[11]韩俊, 温风波, 赵广播. 小展弦比涡轮叶片的弯曲优化设计[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(1): 102-108.
[12]赵香花, 宋强, 刘文华. 35 kV链式STATCOM及其应用[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(1): 109-113.
[13]戴秋娟. 外资企业管理层的国企经验有效性分析——以在华日资企业为例(Ⅰ)[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(1): 114-120.
[14]戴秋娟. 国营企业经验对外企管理层职业能力形成的影响分析——以在华日资企业为例(Ⅱ)[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(1): 121-132.
[15]杨明祥, 蒋云钟, 田雨, 王浩. 智慧水务建设需求探析[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2014, 54(1): 133-136.

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