导弹角速度编码器组合测试系统信号源设计

靖 朋，王和明，张景伟

(空军工程大学 防空反导学院，陕西 西安 710000)

信号源是导弹测试设备的重要组成部分，它能模拟部件发出各种激励信号以检查测试部件，同时还能与其他设备仪器模拟整个部件输出，以检查地面综合测试设备是否正常工作[1]。角速度编码器组合是导弹武器设备的重要组成部件[2]，在完成对它的测试任务时，信号源的设计是其中一个关键的部分。信号源模块能够产生符合角速度编码器组合要求的中频信号、视频信号和其他波形信号。

本文基于计算机串行通信总线，在单片机的控制下使用一片FPGA芯片实现了幅度、相位、频率均可调的任意波形发生器。

1 信号源模块总体结构

整个信号源模块的总体结构如图1所示。首先通过总控制器选择信号波形种类，并设定其参数。然后通过计算机串行通信接口将波形参数信息发送给单片机芯片，单片机将这些指令转化为控制代码，分别控制D/A转换器、驱动放大电路，进而产生视频脉冲；同时控制FPGA，进而实现对DDS的控制，再通过D/A转换电路、放大电路和低通滤波器LPF产生系统需要的任意波形。

该信号源是在串行通信总线控制下设计的，整个系统硬件主要由主控制器、单片机、FPGA、DDS、D/A转换电路、信号放大电路和低通滤波器组成。其主要模块功能如下：

(1)总控制器：即主控计算机，测试系统选用的是工控机，其性能较为稳定、坚固，且抗干扰性能好。

(2)单片机：选择 AT89S51单片机，单片机与总控制器之间通过串行通信总线RS232进行通信。

(3)FPGA芯片：主要实现与单片机之间的通信以及对DDS的逻辑控制，它是信号源模块的核心。本系统中FPGA选用的是Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C8Q208，它具有丰富的接口和内部逻辑资源，满足系统设计的要求。

(4)DDS芯片：选用一款性能优异的DDS芯片AD9959，它主要有以下几个特点：4路同步输出通道，各通道具有独立的频率、相位、幅度控制功能；超强的通道之间隔离度（＞65 dB）；16级的频率、相位、幅度调制能力；可通过硬件、软件控制节电模式。

(5)DDS模块：根据角速度编码器组合测试系统的需求，设计了一个采用改进型DDS结构的正交信号发生器，用来输出一组完全正交的信号，便于进行正交调制。

(6)A/D转换器：选用一款单芯片、12 bit、40 MS/s A/D转换器AD9224，它采用单电源（+5 V）供电，内置一个片内高性能采样放大器和基准电压源。

此外，为了得到高质量的信号，一般采用低通滤波器滤除信号中附加的一些杂散和谐波成分。

2 信号源模块设计与实现

2.1 DDS的FPGA实现

2.1.1 DDS模块设计

根据本系统所产生激励信号的要求，设计了一个正交信号发生器，即能同时产生正弦和余弦输出的信号发生器，其两路输出是正交的，且具有很好的可移植性。所设计的DDS模块如图2所示。

图2中，N为频率输入字的数据宽度，M为相位输入字的数据宽度，M与N往往是不相等的，且M＜N。DDS模块的特性如下。

(1)DDS的输出频率：

式中，N 一般为 32 bit、48 bit、64 bit等，本系统 DDS模块频率输入字选用的是32 bit；fclk为系统时钟。频率输入字实际上也决定了输出一个周期正、余弦信号的采样点数。每经过2个系统时钟，存储器的输出数据改变一次，存储器可以用同步输出或异步输出（单时钟）。

(2)频率分辨率：

(3)频率输入字：

(4)相位控制字：用于改变输出信号的相位参数（相移）。相位累加器后的加法器为相位调制器，相位字输入(含同步寄存器)可以改用伪随机序列信号发生器，以减小由于数据位的截断而造成的相位失真。如果是单路信号，去掉一路ROM和DAC即可，因此具有很好的通用性。

(5)幅度控制字：用于改变输出信号的幅度。幅度控制字的值即为输出信号幅度的衰减倍数。

(6)频率输入字：用来控制输出信号的频率大小，相位输入字用于调节输出信号的相位参数，而输出信号幅度可以通过在ROM查找表之后、DAC之前放置一个乘法器模块进行调节。

2.1.2 FPGA的内部逻辑电路设计与仿真验证

基于Altera公司的QuartusII 7.2软件环境，使用VHDL对DDS的FPGA实现进行设计。图3是FPGA实现DDS模块的顶层结构图，整个DDS模块主要由锁相环(PLL)、相位累加器、相位调制器、衰减器和ROM这几个小模块组成。图4是FPGA控制DDS模块产生正、余弦波的仿真结果。其中，clk是系统的时钟，fword是频率控制字，pword是 12 bit相位输入字，fword是 32 bit频率输入字，address是ROM的地址。ROM的输入地址为12 bit，输出的数据也为12 bit，输出的数据是信号源波形的幅度参数。

通过QuartusII 7.2软件对FPGA内部逻辑电路进行仿真验证，并将输出波形用模拟形式表示出来，仿真结果如图4所示。其中，pword是相位控制字；pout是没有经过相位调制器 （即顶层结构中adder12b和reg12b子模块），直接将相位累加器输出数据（32 bit）的高 12位dout[31..20]作为ROM的地址，从而得出来的正弦波形；fout是输出的正弦波形，fout1是输出的余弦波形，fout与fout1是一组正交信号。频率控制字用来控制输出波形的频率，相位控制字用来控制输出波形的初始相位。

为了满足被测组合实际输入信号的要求，系统在图3所示电路的基础上设计了一个用于控制频率控制字、相位控制字和幅度控制字大小变化的模块。此外，系统还会对输出信号频率、相位和幅度进行检测，如果频率值或幅度值高于或者低于预定的值，则需要总控制器对其进行处理。

在QuartusII 7.2软件中对DDS模块顶层结构中的ROM数据进行更新，分别储存三角波和锯齿波等波形参数数据，就可以实现FPGA控制DDS模块任意波形。

2.2 FPGA控制AD9959实现波形输出

角速度编码器组合是导弹弹上设备的重要组成部分，其状态直接影响到导弹的性能，针对它的测试系统设计必须保证高度的可靠性，以确保没有意外情况发生。因此，本系统设计中使用FPGA控制AD9959芯片产生4路信号当作备用的信号源。AD9959采用SPI串行接口与FPGA进行通信。按照AD9959芯片的工作时序图给SPI口依次写入控制字，然后输出的信号再通过信号调理电路（主要是信号放大电路和低通滤波器）便可以产生所需要的4路频率信号波形。

2.3 视频脉冲的产生

视频脉冲信号是本系统的开关信号。随着计算机技术的发展及模/数转换产品性能的不断提升，实现高精度可控的视频脉冲信号变得十分容易。系统产生视频脉冲信号的原理如图1所示。具体工作过程是：单片机通过串行通信接口接收总控制器的控制指令，然后将其转化为控制代码，再经过12 bit D/A转换器AD9224转化为数字信号，此信号经过驱动放大电路放大后便可以得到所需要的视频脉冲信号。

2.4 DAC电路及信号调理电路设计

D/A转换器的作用是把合成的信号波形数字量转化成模拟量。D/A转换器的分辨率越高，输出波形的精度越高。随着量化精度的增加，频谱中杂波的幅度也就相应降低[3]。本系统使用12 bit分辨率的高精度D/A芯片AD9752和集成运放芯片LM6261实现DAC电路及信号调理电路的设计，通过改变信号调理电路中电位器的大小即可调整输出电压的峰峰值。

2.5 FPGA与单片机之间的通信

FPGA与单片机之间的通信方式一般有总线方式与独立方式两种。AT89C51单片机具有很强的外部总线扩展能力，利用片外控制、数据和地址三总线结构能够很容易地实现单片机与FPGA之间的总线接口设计。而且，单片机与FPGA之间以总线方式进行通信有如下优点：节省FPGA芯片的I/O口；单片机编程简捷，控制可靠；在FPGA中通过逻辑切换，单片机易于与SRAM或ROM接口[4]。此外，单片机与FPGA以总线方式进行数据通信时，其通信工作时序是纯硬件行为，速度要比独立方式快得多。因此，本系统采用总线方式实现单片机与FPGA之间的通信。

本设计在单片机的控制下，基于FPGA和DDS模块实现了任意波形的产生，且输出信号的频率、幅度、相位均可通过总控制器软件由用户进行调整。当输出波形需要改变时，只需改变存储波形参数的ROM数据，就可以灵活地控制任意波形的输出。通过仿真验证了信号源的可实现性，本信号源的输出信号频率稳定性高，相位和幅度连续可调，频率转换速度快，符合导弹角速度编码器组合测试系统的设计要求，具有很好的应用价值。

[1]仇召辉，岳瑞华.导弹自动化测试系统标准信号源研究与设计[J].弹箭与制导学报，2008，28(2)：242-244.

[2]GUTTERMAN L.PXI for military test applications[C].IEEE AUTOTESTCON Proceedings，2002：215-226.

[3]赵呈恺.通用测试台模拟信号源的设计[D].太原：中北大学，2009.

[4]游志宇，张洪，董秀成，等.MCS_51与 FPGA_CPLD总线接口逻辑设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2008(1)：29-32.