基于FPGA的信号发生器的设计

基于FPGA的信号发生器设计论文-1-目录（修改过）任务书………………………………………………………………………………….Ⅰ开题报告……………………………………………………………………………….Ⅱ指导教师审查意见…………………………………………………………………….Ⅲ评阅教师评语………………………………………………………………………….Ⅳ答辩会议记录…………………………………………………………………………Ⅴ中文摘要……………………………………………………………………………….Ⅵ外文摘要……………………………………………………………………………….Ⅶ1引言................................................................51.1课题来源..........................................................................................................51.2课题研究的研究背景.......................................................................................51.3国内外的发展现状、发展趋势及存在的主要问题.......................................51.4课题研究的指导思想与技术路线...................................................................62FPGA的信号发生器设计指标.............................................73FPGA信号发生器设计方案选择4主要器件介绍（包括FPGA、DAC、运放等）5信号发生器硬件设计5.1总体设计框图（包括FPGA、DAC、信号放大等）5.2基于FPGA的DDS设计原理5.3LPF低通滤波5.4VGA电路及PA电路6信号发生器软件设计6.1顶层原理图6.2正弦波产生模块6.3三角波产生模块6.4方波产生模块.....................................................77波形仿真结果.........................................................198总结................................................................24致谢..................................................................26基于FPGA的信号发生器设计论文-2-前言信号发生器是实验室的常用仪器之一，设计信号发生器具有实际应用的意义。而采用FPGA的方法设计信号发生器可以产生频率比较高的信号，例如频率为几M的正弦波。通常正弦波产生的方法是采用MCU+DDS的方法，但是由于DDS的造价比较高，所以在指标要求不高的情况下，可以使用FPGA来实现DDS频率合成的原理来产生较高频率的正弦波，任意波形的信号也是如此。课题《基于FPGA的信号发生器的设计》主要研究内容为DDS基数及其FPGA的实现。其目的在于让设计者能掌握DDS的原理及其设计思路，具体的了解EDA技术流程，熟悉硬件描述语言设计功能电路，并最终检验设计的设计能力。随着我国的经济日益增长，社会对电子产品的需求量也就越来越大，目前，我国的电子产品市场正在迅速的壮大，市场前景广阔。FPGA(FieldProgrammableGateArray,现场可编程门阵列)在现代数字电路设计中发挥着越来越重要的作用。FPGA/CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，缩短了产品的上市时间并降低可电子系统的开发成本，且可以毫不夸张地讲，FPGA/CPLD能完成任何数字器件的功能，从简单的74电路到高性能的CPU。它的影响毫不亚于20世纪70年代单片机的发明和使用。基于FPGA的信号发生器设计论文-3-现在随着电子技术的发展，产品的技术含量越来越高，使得芯片的复杂程度越来越高，人们对数万门乃至数百万门设计的需求也越来越多，特别是专用集成电路（ASIC）设计技术的日趋进步和完善，推动了数字系统设计的迅速发展。仅靠原理图输入方式已不能满足要求，采用硬件描述语言VHDL的设计方式应运而生，解决了传统用电路原理图设计大系统工程时的诸多不便，成为电子电路设计人员的最得力助手。设计工作从行为、功能级开始，并向着设计的高层次发展。这样就出现了第三代EDA系统，其特点是高层次设计的自动化。第三代EDA系统中除了引入硬件描述语言，还引入了行为综合工具和逻辑综合工具，采用较高的抽象层次进行设计，并按层次式方法进行管理，可大大提高处理复杂设计的能力，缩短设计周期，综合优化工具的采用使芯片的品质如面积、速度和功耗等获得了优化，因而第三代EDA系统迅速得到了推广应用。目前，最通用的硬件描述语言有VHDL和VerilogHDL两种，现在大多设计者都使用93年版标准的VHDL，并且通过了IEEE认定，成为世界范围内通用的数字系统设计标准。VHDL是一种新兴的程序设计语言，使用VHDL进行设计其性能总是比常规使用CPU或者MCU的程序设计语言在性能上要高好几个数量级。这就是说，在传统上使用软件语言的地方，VHDL语言作为一种新的实现方式会应用得越来越广泛。本课题设计是采用美国Altera公司的FLEX10K10器件，使用的是Altera公司的EDA软件平台Maxplus–II可编程逻辑器件开发软件。基于EDA工具的FPGA/CPLD的开发流程CPLD/FPGA器件的设计一般可分为设计输入、设计实现和编程三个设计步骤：1.设计输入方式主要由文本输入和图形输入两种，可根据需要选择，也可混合输入。EDA工具会自动检查语法；2.设计实现阶段EDA工具对设计文件进行编译，进行逻辑综合、优化，并针对器件进行映射、布局、布线，产生相应的适配文件；3.编程阶段EDA软件将适配文件配置到相应的CPLD／FPGA器件中，使其能够实现预期的功能。信号发生器是数字设备运行工作中必不可少的一部分，没有良好的脉冲信号源，最终就会导致系统不能够正常工作，更不必谈什么实现其它功能了。不论是处于开发还是故障检修阶段，输出标准且性能优秀的信号发生器总是能够带来工作效率的大幅提升，使新产品有一个标准的信号源、损坏的系统得到正基于FPGA的信号发生器设计论文-4-确校验，不会被一些故障所蒙蔽。在传统的信号发生器中，大都使用分立元件，而且体积庞大携带不便，且大部分只能输出一种脉冲信号波形。在设计领域，不管采用什么技术生产，生产的产品用在哪里，其产品设计的宗旨都是离不开以下几点：实用性高、成本低、可升级、功能完善可扩展等！使用专用的数字电路设计的信号发生器，设备成本高、使用复杂。基于以上考虑，在中小型数字电路的设计和测试中，迫切需要设计一种小型易用成本低廉的信号发生器。此课题的设计以小型经济，集成度高，性能稳定，使用方便为指导，在功能上力求完善实用，同时兼顾商业价值与应用价值的体现基于FPGA的信号发生器设计论文-5-1引言1.1课题来源湖北省电子设计竞赛题目1.2课题研究的研究背景DDS技术具有频率切换时间短，频率稳定度高，输出信号的频率和相位可以快速程控切换，输出相位可连续，可编程以及灵活性大等优点，它以有别与其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS广泛用于接受机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线电通信系统。EDA技术依靠功能强大的电子计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、简化、分割、综合、优化和仿镇，直至下载到可编程逻辑器件CPLD/FPGA或专用集成电路ASIC芯片中，实现即定的电子电路设计功能。EDA技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和EDA软件平台来完成对系统硬件功能的实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。由此可知，对课题的深入研究设计，对于电子信息专业的毕业生有相当重大的意义。1.3国内外的发展现状、发展趋势及存在的主要问题直接数字频率合成技术（DDS）的理论早在20世纪70年代就被提出，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表发产生波形。由于硬件技术的限制，DDS技术当时没能得到广泛应用。但是随着大规模集成电路的飞速发展，DDS技术的优越性已逐步显现出来。今天DDS技术凭借其优越的性能已成为现代频率合成技术中的佼佼者，广泛用于接受机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线电通信系统。不少学者认为，DDS是产生信号和频率的一种理想方法，发展前景十分广阔。而EDA技术更是现代电子设计技术的核心。20世纪90年代以来，微电子工艺有了惊人的发展。为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是由用户自己设计芯片。这个阶段发展起来的EDA工具，目的是在设计前期将原来设计师从事的许多高层次设计工作改由工具来完成。设计师通过一些简单标准化的设计过程，利用微电子厂家提供的设计库来完成数万门ASIC和集成系统的设计与验证。这样就对电子技术的工具提出了更高的要求，提供了广阔的发展空间，促进了EDA技术的形成。今天，EDA技术已经成为电子设计的重要工具，无论是设计芯片还是设计系统，如果没有EDA工具的支持，都将是难以完成的。EDA工具已经成为现代电路设计工程师的重要工具，正在发挥越来越重要的作用近几年，随着需求量的不断增加，FPGA的技术得到了迅速发展。从器件基于FPGA的信号发生器设计论文-6-的速度来看，已制成了80MHz时钟频率的高速器件，FPGA的速度已不再成为器件选择的障碍。从集成度来看，实际使用器件已达13000门，可满足ASIC设计需求的75。美国AT＆T在1994年第1季度，推出了门数高达12000~22000的FPGA器件(产品)。从工艺上来看，目前正处于从0．8／Lm向0．7m过渡时期，最近已制成了0．6btm的器件。从总的来看，现在的FPGA的性能相当于2．5／Lm时代的门阵列(1985年的水平)，还没有达到固定标准结构程序阶段。也可以说正处于从单一型供货向多种供货的转折期。今后根据用户的需要将不断开发出速度更高，能满足用户价格条件及能成倍增加I／O引脚数的新型器件，以扩大用户的选择范围。随着通信设备的迅速更新换代并不断向智能化、多功能化发展，新的厂商不断出现，为保持竞争实力，必须采用FPGA设计的ASIC电路。现在FPGA在通信中的应用越来越多，例如专用自动小交换机、多功能电话机、数字终端设备、区域网汇接站、数字信号处理、通信工具及自动化测试等，均广泛采用了FPGA及用?PGA开发的ASIC电路。我国近几年迅速发展起来的光通信系统中也较多地采用了FPGA器件。倒如邮电部激光研究所开发的140Mb／s光缆通信系统中，光电端机设备采用了FPGA器件，设备已被用于京一汉一广(全长3074km)光缆工程中。该所制作的565Mb／s光端机、光中继机也都采用了FPGA器件，已被用于上海一南京(全长383km)韵五次群光缆工程。虽然FPGA有很多优点和广阔的发展空间，但是它也存在一些问题，例如FPGA一般来说比ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。1.4课题研究的指导思想与技术路线初定步骤为以下几点：1、掌握总体设计原理，画出其电路方框图。2、根据设计要求设计单元电路功能模块。3、对各单元功能模块进行设计校验（包括功能仿真和时序仿真）。4、连接