eda課程設計_基于fpga的任意波形發生器-文庫吧

【正文】 系統，教學實驗等領域，目前使用 出現了大量能夠產生多種波形且性能穩定的任意波形發生器，但大多數方案都是基于串行或并行總線進行數據的傳輸，這種方案雖然成本較低，但系統的實時性較差，難以滿足復雜波形的大數據量的傳輸要求。我們設計了一種基于 FPGA 芯片的任意波形發生器，充分利用了FPGA 強大的邏輯功能，實現了利用單片 FPGA 芯片控制整個系統的方案 。 任意波形發生器的功能 任意波形發生器既具有其他信號源的信號生成 能力，又可以通過各種編輯手段生成任意的波形采樣數據，方便地合成其他信號源所不能生成的任意波形，從而滿足測試和仿真實驗的要求。任意波形發生器的主要功能包括： （ 1）函數發生功能 基礎實驗中，為了驗證電路功能、穩定性和可靠性，需要給它施加理想波形，任意波形發生器能替代函數發生器提供正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形，還具有各種調制和掃頻能力。利用任意波形發生器的這一基礎功能就能滿足一般實驗的信號需求。 （ 2）任意波形生成 運行在實際電子環境中的設備，由于各種干擾的存在以及環境的變化，實際電路中往往存在各 種信號缺陷和瞬變信號，例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等。任意波形發生器可以模擬這些特殊信號，以測試系統的實際性能。 （ 3）信號還原功能 在一些軍事、航空等領域，有些電路運行環境很難估計，在設計完成之后，在現實環境中還需要更進一步的實驗驗證，而有些實驗的成本很高或者風險性很大（如飛機試飛時發動機的運行情況），人們不可能重復作實驗來判斷所設計產品的可行性和穩定性。此時，可以利用任意波形發生器的信號還原功能。在做一綜合實踐 2 些高耗費、高風險實驗時，可以通過數字示波器把實際中用到的實際波形記錄下來，再通過計算機接口下載 到任意波形發生器，通過任意波形發生器還原實驗中的實際波形并加到設計電路中，做進一步的實驗驗證工作。 國內外發展現狀 采用可變時鐘和計數器尋址波形存儲器的任意波形發生器在一段時期內曾得到廣泛的應用，其取樣時鐘頻率較高且可調節，但其對硬件要求比較高，需要高性能的鎖相環和截止頻率可調的低通濾波器（或者多個低通濾波器），且頻率分辨率低，頻率切換速度較慢，已經逐步退出市場。 目前市場上的任意波形發生器主要采用直接數字合成（ Direct Digital Synthesuzer， DDS）技術，這種波形發生器不僅 可以產生可變頻的載頻信號、各種調制信號，同時還能和計算機配合產生用戶自定義的有限帶寬的任意信號，可以為多種領域的測試提供寬帶寬、高分辨率的測試信號 [1]。 任意波形發生器發展到今天，從產品結構形式來劃分，主要包含三種： （ 1） 獨立儀器結構形式 獨立儀器結構形式是把任意波形發生器設計成單臺儀器的形式，其優點是精度高，可獨立工作。 （ 2） PC 總線式 PC（ Personal Computer）總線式是將任意波形發生器板卡直接插在 PC 機的總線擴展槽或通過外部接口連接到 PC 總線上，利用 PC 機來控制任意波形發生 器的工作狀態，其優點是可以充分利用 PC 機的軟硬件資源，在波形數據處理、波形參數修改方面，計算機有明顯的優勢。 （ 3） VXI 模塊式 VXI 模塊是一種新型的模塊化儀器，它必須插在 VXI 總線機箱上才能使用，VXI 總線機箱通過 GPIB 或者 RS232C 等接口與計算機相連， VXI 模塊儀器對組成自動測試系統特別有用，各個公司的 VXI 卡式儀器模塊可以自由組合使用。 從發展狀況來看，國外任意波形發生器的研制及生產技術已經較為成熟。以安捷倫（ Agilent）和泰克（ Tektronix）為代表的國際電子測量儀器公司在此領域進行 了卓有成效的研究和開發，其產品無論在技術上還是市場占有率方面在國際上都享有盛譽，但其價格也是相當昂貴，高端型號每臺價格都在幾萬美金左右，低端的也要幾萬人民幣。 Tektronix 公司的獨立結構任意波形發生器 AFG3000 系列功能完善，人機界面友好，操作方便，可以以多種方式連接到 PC 機上，其最高采樣率能達到 2GS/s，輸出信號最高頻率為 240MHz，任意波頻率 50MHz，并配備的強大的波形編輯軟件 ArbExpress，用戶可以方面地創建和編輯自己的波形。綜合實踐 3 Agilent 公司的 PXI 模塊任意波形發生器采樣率已經能達 到 ，最高輸出頻率 500MHz。我國研制任意波形發生器是從上世紀 90 年代開始的，近年來有一批本土廠商奮起直追，并取得了可喜的成果。例如南京盛普科技電子有限公司的SPF120型信號發生器的主波輸出頻率達到了 120MHz，任意波最高頻率為 100KHz；北京普源精電科技有限公司（ RIGOL）生產的 DG1000/2020/3000 系列任意波形發生器，在性能上已經大略相當于國外中低端產品。 以 FPGA 自身資源為基礎，制作一個簡易綜合電子實驗儀，具有信號源、測量儀表等功能。 綜合實踐 4 第 2章 波形發生器的基本理論 FPGA 簡介 FPGA由可編程邏輯單元陣列、布線資源和可編程的 I／ O單元陣列構成，一個 FPGA 包含豐富的邏輯門、寄存器和 I／ O 資源。一片 FPGA 芯片就可以實現數百片甚至更多個標準數字集成電路所實現的系統。 FPGA 的結構靈活，其邏輯單元、可編程內部連線和 I／ O 單元都可以由用戶編程，可以實現任何邏輯功能，滿足各種設計需求。其速度快，功耗低，通用性強，特別適用于復雜系統的設計。使用 FPGA