基于FPGA的数字信号发生器设计

基于FPGA的数字信号发生器设计摘要数字信号发生器是数字信号处理中不可缺少的调试设备，在生产生活中的应用非常广泛。本文所设计的内容就是基于Altera公司的现场可编程门阵列（FPGA）实现数字信号发生器的设计，FPGA具有密度高，功耗低，体积小，可靠性高等特点，设计时可以不必过多考虑具体硬件连接；本设计中应用VHDL硬件描述语言进行描述，使该数字信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波四个独立的波形，并能对所产生的四种波形的频率和幅度进行调节。关键词：直接数字频率合成；数字波形发生器；FPGA；DDS；VHDLDesignOfFPGA-basedDigitalSignalGeneratorYangChunjian(CollegeofPhysicsScienceandInformationEngineering,JishouUniversity,JishouHunan416000)AbstractDigitalsignaltransmitterasatestfacilityisanimportantpartofinformationprocessingsystem.Intheproductionofawiderangeofapplicationoflife.ThiscontentisdesignedbyAltera,basedonfieldprogrammablegatearray(FPGA)designofdigitalsignalgenerator,FPGAhasahighdensity,lowpowerconsumption,smallsize,highreliability,cannothavetoomuchtoconsiderwherdesigningspecifichardwareconnection;thedesignoftheapplicationofVHDLhardwaredescriptionlanguagetodescribe,sothatthedigitalsignalgeneratorcanproducesine,square,triangle,sawtoothwaveformsoffourindependent,andisabletoproducefourwaveformsbythefrequencyandamplitudeadjustment.Keywords：DirectDigitalFrequencySynthesis；DigitalWaveformGenerator;FPGA;DDS;VHDL目录第一章绪论.........................................................11.1背景与意义.....................................................11.2国内外发展现状.................................................1第二章相关工具介绍..................................................32.1DDS技术.......................................................32.2FPGA简介......................................................42.3VHDL简介......................................................52.4QuartusⅡ简介..................................................7第三章系统硬件电路设计..............................................93.1数字信号发生器的系统组成.......................................93.2设计原理及要求.................................................93.3输入部分......................................................103.3.1频率、幅值和波形转换部分.................................103.3.2系统时钟电路.............................................123.3.3电源电路的设计..........................................123.4FPGA部分.....................................................123.5D/A转换部分..................................................133.5.1DAC0832转换器简介.......................................143.6滤波电路......................................................15第四章系统软件设计.................................................174.1软件系统流程图................................................174.2数字信号发生器的软件设计......................................174.2软件各模块....................................................184.2.1主控制模块..............................................184.2.2波形数据产生模块........................................19结束语...............................................................23参考文献.............................................................24附录................................................................25基于FPGA的数字信号发生器设计绪论第一章绪论1.1背景与意义在电子技术领域，常常需要波形、频率、幅度都可调的电信号，用于产生这种电信号的电子仪器称作信号发生器。信号发生器是一种常用的信号源，广泛运用于科学研究、生产实践和教学试验等领域。特别是在通信系统的科研实验中，常常需要用到不同频率和幅度的信号，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是运用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。传统的波形发生器多采用模拟分立元件实现，产生的波形种类要受到电路硬件的限制，体积大、灵活性和稳定性也相对较差。近年来，以数字技术为基础的数字信号发生器得到了飞速的发展，性能指标都达到了一个新的水平。现场可编程门阵列器件具有容量大、运算速度快、现场可编程等优点，使得许多复杂的电路有了新的实现途径，越来越被广泛地应用到实际系统中。而且随着当今电子系统的越来越复杂，毫无疑问，数字信号发生器正在成为模拟复杂信号的事实标准。凡是能产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表进行测量的参数。信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输出数字码形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。1.2国内外发展现状采用可变时钟和计数器寻址波形存储器的任意波形发生器[4]在一段时期内曾得到广泛的应用，其取样时钟频率较高且可调节，然而这种波形发生器对硬件要求比较高，需要高性能的锁相环和截止频率可调的低通滤波器，且频率分辨率低，频率切换速度较慢，已经逐步退出市场。基于FPGA的数字信号发生器设计绪论目前市场上的数字信号发生器主要采用直接数字合成（DirectDigitalSynthesuzer，DDS）技术，这种波形发生器不仅可以产生可变频的载频信号、各种调制信号，同时还能和计算机配合产生用户自定义的有限带宽的任意信号，可以为多领域的测试提供宽带宽、高分辨率的测试信号。从目前发展状况来看，国外数字信号发生器的研制和生产技术已经较为成熟。以安捷伦（Agilent）和泰克（Tektronix）为代表的国际电子测量仪器公司在此领域进行了卓有成效的研究和开发，其产品无论在技术上还是市场占有率方面在国际上都享有盛誉，但其价格也相当昂贵，高端型号每台价格都在几万美金左右，低端的也要几万人民币。Tektronix公司的独立结构任意波形发生器AFG3000系列功能完善，人机界面友好，操作方便，可以以多种方式连接到PC机上，其最高采样率能达到2GS/s，输出正弦信号最高频率为240MHz，任意波频率最高能达到50MHz，并配备的强大的波形编辑软件ArbExpress，用户可以方便地创建和编辑自己的波形。Agilent公司的PXI模块任意波形发生器采样率已经能达到1.25GS/s，最高输出频率500MHz。我国研制任意波形发生器是从上世纪90年代开始的，近年来有一批本土厂商奋起直追，取得了可喜的成果。例如南京盛普科技电子有限公司的SPF120型信号发生器的主波输出频率达到了120MHz，任意波最高频率为100KHz；北京普源精电科技有限公司（RIGOL）生产的DG1000/2000/3000系列任意波形发生器，在性能上已经大略相当于国外中低端产品。本课题的主要研究内容是参考直接数字频率合成原理（DDS）技术[6]，利用QuartusII5.1软件作为平台，VHDL语言作为开发语言，基于FPGA配合相应外围电路实现一个数字信号发生器，其电路结构简单，容易扩展，具有极大的灵活性和方便性，实现了产生频率、幅度可调的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号的信号发生器。基于FPGA的数字信号发生器设计相关资料第二章相关资料2.1DDS技术DDS与大多数的数字信号处理技术一样，它的基础仍然是奈圭斯特采定理。奈圭斯特采样定理是任何模拟信号进行数字化处理的基础，它描述的是一个带限的模拟信号经抽样变成离散序列后可不可以由这些离散序列恢复出原始模拟信号的问题。奈圭斯特采样定理告诉我们，当抽样频率大于或者等于模拟信号最高频率的两倍时，可以由抽样得到的离散序列无失真地恢复出原始模拟信号。只不过在DDS技术中，这个过程被颠倒过来了。DDS不是对模拟信号进行抽样，而是一个假定抽样过程已经发生且抽样值已经量化完成，如何通过某种方法把已经量化的数值重建原始信号的问题。DDS电路一般由参考时钟、相位累加器、波形存通滤波器（LPF）组成。其结构如图2.1所示。图2.1DDS基本结构框图其中，fc为参考时钟频率，K为频率控制字，N为相位累加器位数，A为波形存储器地址位数，D为波形存储器的数据位字长和D/A转换器位数。DDS系统中的参考时钟通常由一个高稳定