【正文】 系統(tǒng)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域，目前使用 出現(xiàn)了大量能夠產(chǎn)生多種波形且性能穩(wěn)定的任意波形發(fā)生器，但大多數(shù)方案都是基于串行或并行總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這種方案雖然成本較低，但系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，難以滿足復(fù)雜波形的大數(shù)據(jù)量的傳輸要求。我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于 FPGA 芯片的任意波形發(fā)生器，充分利用了FPGA 強(qiáng)大的邏輯功能，實(shí)現(xiàn)了利用單片 FPGA 芯片控制整個(gè)系統(tǒng)的方案 。 任意波形發(fā)生器的功能 任意波形發(fā)生器既具有其他信號(hào)源的信號(hào)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(shù)據(jù)，方便地合成其他信號(hào)源所不能生成的任意波形，從而滿足測(cè)試和仿真實(shí)驗(yàn)的要求。任意波形發(fā)生器的主要功能包括： （ 1）函數(shù)發(fā)生功能 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證電路功能、穩(wěn)定性和可靠性，需要給它施加理想波形，任意波形發(fā)生器能替代函數(shù)發(fā)生器提供正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形，還具有各種調(diào)制和掃頻能力。利用任意波形發(fā)生器的這一基礎(chǔ)功能就能滿足一般實(shí)驗(yàn)的信號(hào)需求。 （ 2）任意波形生成 運(yùn)行在實(shí)際電子環(huán)境中的設(shè)備，由于各種干擾的存在以及環(huán)境的變化，實(shí)際電路中往往存在各 種信號(hào)缺陷和瞬變信號(hào)，例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等。任意波形發(fā)生器可以模擬這些特殊信號(hào)，以測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際性能。 （ 3）信號(hào)還原功能 在一些軍事、航空等領(lǐng)域，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計(jì)，在設(shè)計(jì)完成之后，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中還需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而有些實(shí)驗(yàn)的成本很高或者風(fēng)險(xiǎn)性很大（如飛機(jī)試飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況），人們不可能重復(fù)作實(shí)驗(yàn)來判斷所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可行性和穩(wěn)定性。此時(shí)，可以利用任意波形發(fā)生器的信號(hào)還原功能。在做一綜合實(shí)踐 2 些高耗費(fèi)、高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過數(shù)字示波器把實(shí)際中用到的實(shí)際波形記錄下來，再通過計(jì)算機(jī)接口下載 到任意波形發(fā)生器，通過任意波形發(fā)生器還原實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際波形并加到設(shè)計(jì)電路中，做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 采用可變時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器尋址波形存儲(chǔ)器的任意波形發(fā)生器在一段時(shí)期內(nèi)曾得到廣泛的應(yīng)用，其取樣時(shí)鐘頻率較高且可調(diào)節(jié)，但其對(duì)硬件要求比較高，需要高性能的鎖相環(huán)和截止頻率可調(diào)的低通濾波器（或者多個(gè)低通濾波器），且頻率分辨率低，頻率切換速度較慢，已經(jīng)逐步退出市場(chǎng)。 目前市場(chǎng)上的任意波形發(fā)生器主要采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Synthesuzer， DDS）技術(shù)，這種波形發(fā)生器不僅 可以產(chǎn)生可變頻的載頻信號(hào)、各種調(diào)制信號(hào)，同時(shí)還能和計(jì)算機(jī)配合產(chǎn)生用戶自定義的有限帶寬的任意信號(hào)，可以為多種領(lǐng)域的測(cè)試提供寬帶寬、高分辨率的測(cè)試信號(hào) [1]。 任意波形發(fā)生器發(fā)展到今天，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式來劃分，主要包含三種： （ 1） 獨(dú)立儀器結(jié)構(gòu)形式 獨(dú)立儀器結(jié)構(gòu)形式是把任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)成單臺(tái)儀器的形式，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，可獨(dú)立工作。 （ 2） PC 總線式 PC（ Personal Computer）總線式是將任意波形發(fā)生器板卡直接插在 PC 機(jī)的總線擴(kuò)展槽或通過外部接口連接到 PC 總線上，利用 PC 機(jī)來控制任意波形發(fā)生 器的工作狀態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用 PC 機(jī)的軟硬件資源，在波形數(shù)據(jù)處理、波形參數(shù)修改方面，計(jì)算機(jī)有明顯的優(yōu)勢(shì)。 （ 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(jī)箱上才能使用，VXI 總線機(jī)箱通過 GPIB 或者 RS232C 等接口與計(jì)算機(jī)相連， VXI 模塊儀器對(duì)組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)特別有用，各個(gè)公司的 VXI 卡式儀器模塊可以自由組合使用。 從發(fā)展?fàn)顩r來看，國(guó)外任意波形發(fā)生器的研制及生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)較為成熟。以安捷倫（ Agilent）和泰克（ Tektronix）為代表的國(guó)際電子測(cè)量?jī)x器公司在此領(lǐng)域進(jìn)行 了卓有成效的研究和開發(fā)，其產(chǎn)品無論在技術(shù)上還是市場(chǎng)占有率方面在國(guó)際上都享有盛譽(yù)，但其價(jià)格也是相當(dāng)昂貴，高端型號(hào)每臺(tái)價(jià)格都在幾萬美金左右，低端的也要幾萬人民幣。 Tektronix 公司的獨(dú)立結(jié)構(gòu)任意波形發(fā)生器 AFG3000 系列功能完善，人機(jī)界面友好，操作方便，可以以多種方式連接到 PC 機(jī)上，其最高采樣率能達(dá)到 2GS/s，輸出信號(hào)最高頻率為 240MHz，任意波頻率 50MHz，并配備的強(qiáng)大的波形編輯軟件 ArbExpress，用戶可以方面地創(chuàng)建和編輯自己的波形。綜合實(shí)踐 3 Agilent 公司的 PXI 模塊任意波形發(fā)生器采樣率已經(jīng)能達(dá) 到 ，最高輸出頻率 500MHz。我國(guó)研制任意波形發(fā)生器是從上世紀(jì) 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(hào)發(fā)生器的主波輸出頻率達(dá)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(chǎn)的 DG1000/2020/3000 系列任意波形發(fā)生器，在性能上已經(jīng)大略相當(dāng)于國(guó)外中低端產(chǎn)品。 以 FPGA 自身資源為基礎(chǔ)，制作一個(gè)簡(jiǎn)易綜合電子實(shí)驗(yàn)儀，具有信號(hào)源、測(cè)量?jī)x表等功能。 綜合實(shí)踐 4 第 2章 波形發(fā)生器的基本理論 FPGA 簡(jiǎn)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(gòu)成，一個(gè) 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(shí)現(xiàn)數(shù)百片甚至更多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。 FPGA 的結(jié)構(gòu)靈活，其邏輯單元、可編程內(nèi)部連線和 I／ O 單元都可以由用戶編程，可以實(shí)現(xiàn)任何邏輯功能，滿足各種設(shè)計(jì)需求。其速度快，功耗低，通用性強(qiáng)，特別適用于復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使用 FPGA