FPGAで作る任意波形発生器（2/4 ページ）

生物医学などの分野で用いられる機器に対しては、信号の周波数を正確かつ高精度に設定したいという要求がある。そうした用途に適用可能な任意周波数/波形発生器を実現するには、FPGAを利用すると便利である。本稿では、任意周波数発生器の基本原理やその実現方法、任意波形発生器への展開方法を具体例を基に示す。

[Eugene Palatnik（フランスITEC Engineering社），EDN]

回路の基本構成

　周波数fの信号を発生する回路は、例えば24ビットの位相アキュムレータを水晶発振器からの20MHzのクロックで駆動する構成によって実現できる。この構成を用いて、例えば周波数が501.1Hzの出力信号を得ようとする場合、必要なΔNは式（7）によって以下のように計算できる。

　すなわち、24ビットの位相アキュムレータは、入力クロックの1パルス当たり420だけカウントアップする。カウンタは、最大値である2^kを超えたときにはカウント値を0に戻す。位相アキュムレータのMSB（most significant bit）の変化が出力周波数に相当することになる。

　図1は任意周波数発生器の基本構成例を表している。この例では、マイクロコントローラにFPGAを接続する構成としている。この場合、マイクロコントローラが式（8）に示したΔNをカウントし、その結果をFPGAに対して8ビットのデータバス、2ビットのアドレスバス、書き込み（wr）制御信号を利用して送出する。位相アキュムレータはMSBを出力とするので、ΔNの値は（k−1）ビットで表現できる。言い換えれば、ΔNは2^k−1を超えることはないということである。

図1　任意周波数発生器の基本構成　

　リスト1は、FPGAの詳細動作を記述したVerilog HDLコードである。この回路の動作を以下の2つの具体例で説明しよう。

リスト1　FPGA用のVerilogHDLコード　

　1つ目の例は、20MHzのクロックを基に、10MHzの出力周波数を生成するというものである。この場合のΔNは式（7）から、2²⁴/2、すなわち838万8608となる。このΔNに対する回路の動作、すなわち1クロックごとの位相アキュムレータのカウント値と任意周波数発生器の出力に相当するMSBの値の関係を表1に示す。表からわかるように、この例は単純な2分周相当のものとなる。

　もう1つの例として、9.999998808MHzの出力周波数を生成するケースを考える。この場合、式（7）で計算したΔNは838万8607、すなわち1つ目の例のΔNより1だけ小さい値になる。表2に、2²⁴個のクロックに対する位相アキュムレータのカウント値とMSBの値を示す。表の赤字表記の個所はMSBの値が変化していないところであり、これから0→1の遷移と1→0の遷移がそれぞれ1回ずつ抜けていることがわかる。この例の出力周波数は10MHzより1.192Hzだけ低い値になる。

表1　位相アキュムレータのカウント値とMSBの値（その1）　　

表2　位相アキュムレータのカウント値とMSBの値（その2）