基于fpga的函數信號發生器設計(已修改)

　

【正文】 徐州工程學院畢業設計(論文)圖書分類號：密 級：摘要函數信號發生器是各種測試和實驗過程中不可缺少的工具，在通信、測量、雷達、控制、教學等領域應用十分廣泛。隨著我國經濟和科技的發展，對相應的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，信號發生器己成為測試儀器中至關重要的一類。本文在探討函數信號發生器幾種實現方式的基礎上，采用直接數字頻率合成（DDS）技術實現函數信號發生器。在對直接數字頻率合成（DDS）技術充分了解后，本文選擇以Altera公司生產的FPGA芯片為核心，以硬件描述語言Verilog HDL為開發語言，設計實現了可以產生任意波形（以正弦波為例）和固定波形的（以方波和鋸齒波為例）的函數信號發生器。文中詳細闡述了直接數字頻率合成（DDS）、波形產生以及調幅模塊的設計，并給出了相應的仿真結果。本文最后給出了整個系統的仿真結果，即正弦波、方波、鋸齒波的波形輸出。實驗表明，用現場可編程門陣列（FPGA）設計實現的采用直接數字頻率合成（DDS）技術的函數信號發生器，克服了傳統方法的局限，實現了信號發生器多波形輸出以及方便調頻、調幅的功能。關鍵詞 函數信號發生器；直接數字頻率合成；現場可編程門陣列；Verilog HDLAbstractFunction Generator is an indispensable tool in a process of various tests and experiments. It is widely used in munication, measurement, radar, control, teaching and other fields. With the development of China39。s economic and technological, the corresponding test equipment and test methods are also put forward higher requirements, and the signal generator has bee a vital test instrument.The article examines the several implementations of the function generator. And it has achieved the function generator which is pleted by direct digital frequency synthesis (DDS) technology . Through understanding the direct digital frequency synthesis (DDS) technology, this paper chose to the Altera Corporations’ FPGA chips as the core of design. The function generator which can produce sine, square wave, sawtooth wave was designed. It also used hardware description language Verilog HDL as development language. The paper described the design of the main module, such as direct digital synthesizer (DDS), waveform generation and modulation module. And the corresponding simulation results were also presented.At last, the simulation results of the whole system were presented, that is, sine, square, sawtooth waveform has been carried out. Experiments show that the function generator based on FPGA and direct digital frequency synthesis (DDS)technology has overcame the limitations of traditional methods and achieved a signal generator which can generate multiple waveforms and has facilitate FM, AM function.Keywords Function Genenrator Direct Digital Freguency Synthesizer FPGA Verilog HDL II 目 錄1緒論 1 1 1 1 2 22系統基本原理 4 4 4 DMA輸出方式 4 4 4 5 5 6 DDS原理 6 7 8 DDS頻率合成器優缺點 8(FPGA) 9 FPGA簡介 9 FPGA特點 9 FPGA工作狀態 10 FPGA的編程技術 10 FPGA器件配置方式 11 11 Verilog HDL語言簡介 113系統軟件設計 13 13 Quartus II簡介 13 Quartus II設計流程 13 Quartus II系統工程設計 14 14 15 15 15 Diagram/Schematic File并添加模塊電路 16 Waveform File 16 17 18 FPGA系統設計流程 18 FPGA系統模塊設計 194系統模塊設計及仿真 21 21 DDS模塊設計 22 32位加法器 22 23 24 24 26 27 285系統調試 30 30 30結論 32致謝 33參考文獻 34附錄 35附錄1系統整體設計圖 35附錄2各模塊源程序 35徐州工程學院畢業設計(論文)1緒論函數信號發生器是各種測試和實驗過程中不可缺少的工具，在通信、測量、雷達、控制、教學等領域應用十分廣泛。不論是在生產、科研還是教學上，信號發生器都是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。而且，信號發生器的設計方法多，設計技術也越來越先進。隨著我國經濟和科技的發展，對相應的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，信號發生器己成為測試儀器中至關重要的一類，因此開發信號發生器具有重大意義。傳統的信號發生器大多采用專用芯片或單片機或模擬電路，成本高或控制方式不靈活或波形種類較少等不能滿足要求。本課題的目的是研究函數信號發生器的設計方法，克服傳統方法的缺點，用更好的方法設計出比較復雜的調頻、調幅功能的函數信號發生器。波形發生器是能夠產生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩定性、可重復性和易操作性的電子儀器。函數波形發生器具有連續的相位變換和頻率穩定性等優點，不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統，因此被廣泛用于自動控制系統、振動激勵、通訊和儀器儀表領域。在70年代前，信號發生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數發生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形，產生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結合的方法。這個時期的波形發生器多采用模擬電子技術，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產生較為復雜的信號波形，則電路結構非常復雜。這種情況，主要表現為兩個突出問題，一是通過電位器的調節來實現輸出頻率的調節，因此很難將頻率調到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調節。在70年代后，微處理器的出現，可以利用處理器、A/D和D/A，硬件和軟件使波形發生器的功能擴大，產生更加復雜的波形。這時期的波形發生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。90年代末，出現幾種真正高性能、高價格的函數發生器，但是HP公司推出了型號為HP77OS的信號模擬裝置系統，它由HP877OA任意波形數字化和HP1776A波形發生軟件組成。HP877OA實際上也只能產生8種波形，而且價格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號為Data2020的多波形合成器，Lecroy公司生產的型號為9100的任意波形發生器等。到了二十一世紀，隨著集成電路技術的高速發展，出現了多種工作頻率可過GHz的DDS芯片，同時也推動了函數波形發生器的發展。2003年，Agilent的產品33220A能夠產生17種波形，最高頻率可達20M。2005年的產品N6030A能夠產生高達500MHz的頻率。由上面的產品可以看出，函數波形發生器發展很快。.近幾年來，國際上波形發生器技術發展主要體現在以下幾個方面：，輸出波形頻率的提高，使得波形發生器能應用于越來越廣的領域。波形發生器軟件的開發正使波形數據的輸入變得更加方便和容易。波形發生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數段把波形數據存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成v=f(t)形式的波形方程的數學表達式產生。從而促進了函數波形發生器向任意波形發生器的發展，各種計算機語言的飛速發展也對任意波形發生器軟件技術起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如 Visual Basic，VisualC等等)編寫任意波形發生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現波形的輸入。目前，波形發生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領域需要使用VXI系統測量產生復雜的波形，VXI的系統資源提供了明顯的優越性，但由于開發VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機箱的配套使用，使得波形發生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領域。在民用方面，VXI模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現在新的臺式儀器的形態，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產品減少了一半。早在1978年，由美國Wavetek公司和日本東亞電波工業公司公布了最高取樣頻率為5MHz，可以形成256點(存儲長度)波形數據，垂直分辨率為8bit，主要用于振動、醫療、材料等領域的第一代高性能信號源。經過將近30年的發展，伴隨著電子元器件、電路、及生產設備的高速化、高集成化，波形發生器的性能有了飛速的提高，其變得操作越來越簡單，而輸出波形的能力越來越強。波形操作方法的好壞，是由波形發生器控制軟件質量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。本文在廣泛收集相關資料的基礎上，對直接數字頻率合成技術進行了深入研究，采用可編程邏輯器件完成了本次設計。主要工作如下：采用Altera公司的的EP2C35F672C8芯片作為產生波形數據的主芯片，通過硬件編程語言實現DDS模塊電路，這部分工作需要熟悉DDS原理，FPGA的開發流程，Verilog語言編程以及QuartusⅡ開發環境。利用硬件編程語言設計乘法器，實現波形的幅度調制功能。ROM的初始化文件設計，利用MegaWizard PlugIn Manager定制正弦信號數據ROM。2系統基本原理任意波形發生器的實現方案主要有程序控制輸出、DMA輸出、可變時鐘計數器尋址和直接數字頻率合成等多種方式。計算機根據波形的函數表達式，計算出一系列波形數據瞬時值，并定時地逐個傳送給D/A轉換器，合成出所需要的波形。這種方式具有電路簡單、實現方便等特點。但數據輸出定時不準確，會影響信號的頻率和相位。波形數據輸出依靠指令的執行來完成，當需要同時輸出多個信號時，相鄰信號通道的輸出存在時間差，受計算機運行速度的限制，輸出信號的頻率較低。 DMA輸出方式DMA(direct memory aecess)方式輸出不依賴于程序的執行，由DMA控制器申請總線控制權，通過地址總線給出存儲器的地址信號，同時選通存儲器和D/A轉換器，在兩者之間建立直接的數據通道，使存儲器相應單元中的波形數據傳送給D/A轉換器轉換后輸出信號。DMA方式輸出信號，可以大大提高信號的數據輸出速率。但也存在一些問題，如波形輸出期間，微處理器因為失去了總線控制權，無法進行其他操作。在一個DMA操作中，只能在一個D/A轉換器和存儲器之間傳送數據，無法實現多通道的信號輸出。采用可變時鐘計數器尋址波形存儲器表，該方法是一種傳統型任意波形發生器。原理框圖如圖21所示。圖21可變時鐘計數器尋址的任意波形發生器圖中的計數器實際上是一個地址發生器，計數器的觸發時鐘脈沖由一個頻率可以控制的頻率發生器產生，通過改變頻率發生器的頻率設置值，實現調整計數器產生的地址變化速率，從而改變輸出的任意波形的頻率。計數器產生的地址碼提供讀出存儲器中波形數據所需要的地址信號，波形數據依次讀出后送至高速D/A轉換器，將之轉變為模擬量，經低通濾波器后輸出所需的波形?？梢妭鹘y的任意波形發生器采用可變時鐘和計數器尋址波形存儲器表，此方法的優點是產生的地址連續，輸出波形質量高。但其取樣時頻率較高，對硬件的要求也較高，而且常需多級分頻或采用高性能的鎖相環，其中分頻式的任意波形發生器頻率分辨率低，鎖相式的任意波形發生器頻率切換速度慢。DDS(direct digital synthesizer)是在一組存儲器單元中按照信號波形數據點的輸出次