1、徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )- I -基 于 FPGA 的 函 数 信 号 发 生 器 设 计摘 要函数信号发生器是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类。本文在探讨函数信号发生器几种实现方式的基础上，采用直接数字频率合成（DDS）技术实现函数信号发生器。在对直接数字频率合成（DDS ）技术充分了解后，本文选择以 Altera 公司生产的 FPGA 芯片为核心，以硬件描述语言 Verilog HDL 为开发语言，
2、设计实现了可以产生任意波形（以正弦波为例）和固定波形的（以方波和锯齿波为例）的函数信号发生器。文中详细阐述了直接数字频率合成（DDS）、波形产生以及调幅模块的设计，并给出了相应的仿真结果。本文最后给出了整个系统的仿真结果，即正弦波、方波、锯齿波的波形输出。实验表明，用现场可编程门阵列（FPGA）设计实现的采用直接数字频率合成（DDS）技术的函数信号发生器，克服了传统方法的局限，实现了信号发生器多波形输出以及方便调频、调幅的功能。关 键 词 函数信号发生器；直接数字频率合成；现场可编程门阵列；Verilog HDL徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )- II -徐 州 工 程 学
3、 院 毕 业 设 计 (论 文 )- III -AbstractFunction Generator is an indispensable tool in a process of various tests and experiments. It is widely used in communication, measurement, radar, control, teaching and other fields. With the development of Chinas economic and technological, the corresponding test equ
4、ipment and test methods are also put forward higher requirements, and the signal generator has become a vital test instrument.The article examines the several implementations of the function generator. And it has achieved the function generator which is completed by direct digital frequency synthesi
5、s (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
6、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
7、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
8、waveforms and has facilitate FM, AM function.Keywords Function Genenrator Direct Digital Freguency SynthesizerFPGA Verilog HDL徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )- I -目 录1 绪论 .11.1 背景及意义 .11.2 波形发生器研究现状 .11.2.1 波形发生器的发展状况 .11.2.2 国外波形发生器产品介绍 .21.3 本设计的主要工作 .22 系统基本原理 .42.1 函数信号发生器的几种实现方式 .42.1.1 程序控制输出方式 .42.
9、1.2 DMA 输出方式 .42.1.3 可变时钟计数器寻址方式 .42.1.4 直接数字频率合成方式 .42.2 频率合成器简介 .52.2.1 频率合成技术概述 .52.2.2 频率合成器主要指标 .62.3 DDS 原理 .62.3.1 相位累加器 .72.3.2 波形 ROM .82.3.3 DDS 频率合成器优缺点 .82.4 现场可编程门阵列(FPGA) .92.4.1 FPGA 简介 .92.4.2 FPGA 特点 .92.4.3 FPGA 工作状态 .102.4.4 FPGA 的编程技术 .102.4.5 FPGA 器件配置方式 .112.4.6 使用 FPGA 器件进行开发的
10、优点 .112.5 Verilog HDL 语言简介 .113 系统软件设计 .133.1 编程软件的介绍 .133.1.1 Quartus II 简介 .133.1.2 Quartus II 设计流程 .133.2 Quartus II 系统工程设计 .143.2.1 创建工程 .14徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )- II -3.2.2 新建 Verilog 源文件 .153.2.3 工程编译 .153.2.4 生成模块电路 .153.2.5 新建 Block Diagram/Schematic File 并添加模块电路 .163.2.6 设计 Vector Wavef
11、orm File .163.3 函数信号发生器的系统设计 .173.3.1 系统总体设计 .183.3.2 FPGA 系统设计流程 .183.3.3 FPGA 系统模块设计 .194 系统模块设计及仿真 .214.1 频率寄存器模块设计 .214.2 DDS 模块设计 .224.2.1 32 位加法器 .224.2.2 相位寄存器 .234.3 波形产生模块设计 .244.3.1 正弦波形 ROM .244.3.2 方波模块 .264.3.3 锯齿波模块 .274.4 调幅模块设计 .285 系统调试 .305.1 调试 .305.2 仿真结果 .30结论 .32致谢 .33参考文献 .34附
12、录 .35附录 1 系统整体设计图 .35附录 2 各模块源程序 .35徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )11 绪论1.1 背景及意义函数信号发生器是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论是在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。而且，信号发生器的设计方法多，设计技术也越来越先进。随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类，因此开发信号发生器具有重大意义。传统的信号发生器大多采用专用芯片或单片机或模拟电路，成本高或控制方式不
13、灵活或波形种类较少等不能满足要求。本课题的目的是研究函数信号发生器的设计方法，克服传统方法的缺点，用更好的方法设计出比较复杂的调频、调幅功能的函数信号发生器。1.2 波形发生器研究现状1.2.1 波形发生器的发展状况波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、振动激励、通讯和仪器仪表领域。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲
14、波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。这种情况，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D 和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理
15、器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器，但是 HP 公司推出了型号为 HP77OS 的信号模拟装置系统，它由 HP877OA 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。HP877OA 实际上也只能产生 8 种波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等。到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过 GHz 的徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )2DDS 芯片，同时也推
16、动了函数波形发生器的发展。2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达 20M。2005 年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快。 .近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：1.过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方
17、式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如 Visual Basic，VisualC 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。2.与 VXI 资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的 VXI 模块。由于 VXI 总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用 VXI 系统测量产生复杂的波形，VXI 的系统资源
18、提供了明显的优越性，但由于开发 VXI 模块的周期长，而且需要专门的 VXI 机箱的配套使用，使得波形发生器VXI 模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI 模块远远不如台式仪器更为方便。3.随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。1.2.2 国外波形发生器产品介绍早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz，可以形成 256 点(存储长度)波形
19、数据，垂直分辨率为 8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源。经过将近 30 年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高，其变得操作越来越简单，而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。1.3 本设计的主要工作本文在广泛收集相关资料的基础上，对直接数字频率合成技术进行了深入研究，采用可编程逻辑器件完成了本次设计。主要工作如下：1.基于 FPGA 的 DDS 模块设计采用 Altera 公司的的 EP2C35F672C8 芯片作为产生波形数据的主
20、芯片，通过硬件编徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )3程语言实现 DDS 模块电路，这部分工作需要熟悉 DDS 原理，FPGA 的开发流程，Verilog语言编程以及 Quartus开发环境。2.信号波形调幅模块设计利用硬件编程语言设计乘法器，实现波形的幅度调制功能。3.正弦信号数据 ROM 设计ROM 的初始化文件设计，利用 MegaWizard Plug-In Manager 定制正弦信号数据ROM。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )42 系统基本原理2.1 函数 信号 发生器的几种实现方式任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA 输出、可变时钟
21、计数器寻址和直接数字频率合成等多种方式。2.1.1 程序控制输出方式计算机根据波形的函数表达式，计算出一系列波形数据瞬时值，并定时地逐个传送给 D/A 转换器，合成出所需要的波形。这种方式具有电路简单、实现方便等特点。但数据输出定时不准确，会影响信号的频率和相位。波形数据输出依靠指令的执行来完成，当需要同时输出多个信号时，相邻信号通道的输出存在时间差，受计算机运行速度的限制，输出信号的频率较低。2.1.2 DMA 输出方式DMA(direct memory aecess)方式输出不依赖于程序的执行，由 DMA 控制器申请总线控制权，通过地址总线给出存储器的地址信号，同时选通存储器和 D/A 转
22、换器，在两者之间建立直接的数据通道，使存储器相应单元中的波形数据传送给 D/A 转换器转换后输出信号。DMA 方式输出信号，可以大大提高信号的数据输出速率。但也存在一些问题，如波形输出期间，微处理器因为失去了总线控制权，无法进行其他操作。在一个 DMA 操作中，只能在一个 D/A 转换器和存储器之间传送数据，无法实现多通道的信号输出。2.1.3 可变时钟计数器寻址方式采用可变时钟计数器寻址波形存储器表，该方法是一种传统型任意波形发生器。原理框图如图 2-1 所示。可变时钟源 计数器 波形存储器 D / A 转换器 低通滤波器图 2-1 可变时钟计数器寻址的任意波形发生器图中的计数器实际上是一个
23、地址发生器，计数器的触发时钟脉冲由一个频率可以控制的频率发生器产生，通过改变频率发生器的频率设置值，实现调整计数器产生的地址变化速率，从而改变输出的任意波形的频率。计数器产生的地址码提供读出存储器中波形数据所需要的地址信号，波形数据依次读出后送至高速 D/A 转换器，将之转变为模拟量，经低通滤波器后输出所需的波形。可见传统的任意波形发生器采用可变时钟和计数器寻址波形存储器表，此方法的优点是产生的地址连续，输出波形质量高。但其取样时频率较高，对硬件的要求也较高，而且常需多级分频或采用高性能的锁相环，其中分频式的任意波形发生器频率分辨率低，锁相式的任意波形发生器频率切换速度慢。2.1.4 直接数字
24、频率合成方式徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )5DDS(direct digital synthesizer)是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储了将要输出波形的数据，在控制电路的协调控制下，以一定的速率，周而复始地将波形数据依次发送给 D/A 转换器转换成相应的模拟信号。由于用硬件电路取代了计算机的控制，信号输出稳定度高。如需更新输出信号，不必改动任何线路和元器件，只需改写存储器中的波形数据即可。更主要的是，可以将微处理器从信号输出的负担中解脱出来。如图 2-2 为其工作流程图。频率信号源 频率控制 地址发生器 D / A 转换 滤波器波形存储器频率设置波形
25、数据设置图 2-2 直接数字频率合成方式的任意波形发生器基于对函数信号发生器的几种实现方式的了解，本文选择方便调频、调幅的直接频率合成 DDS 技术来实现函数信号发生器。2.2 频率合成器简介2.2.1 频率合成技术概述频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，它作为电子系统的“心脏”，在通信、雷达、电子对抗、导航、仪器仪表等许多领域中得到广泛的应用。频率合成理论早在 30年代就开始提出，迄今为止已有 70 年的发展历史。所谓的频率合成就是将一个高精度和高稳定度的标准参考频率，经过混频、倍频与分频等对它进行加、减、乘、除的四则运算，最终产生大量的具有同样精确度和稳定度的频率源。频率合成大致经历了三个主要阶段：直接频率合成、采用锁相技术的间接频率合成、直接数字频率合成。早期的频率合成方法称为直接频率合成。它利用混频器、倍频器、分频器与带通滤波器来完成四则运算。直接频率合成能实现快速频率变换、几乎任意高的频率分辨力、低相位噪声及很高的输出频率。缺点是直接合成由于使用了大量硬件设备如混频器、倍频器、分频器、带通滤波器等，因而体积大、造价高。此外寄生输出大，这是由于带通滤波器无法将混频器产生的无用频率分量滤尽。而且频率范围越宽，寄生分量也就越多。而这些足以抵消其所有优点。直接频率合成技术的固有缺点在间接频率合成技术中得到了很好的改善。间接频率
