【正文】 1 基于 VHDL 語(yǔ)言的多功能波形發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真 尹海濤 102081101163 電信學(xué)院 控制理論與控制工程 摘 要 ： 本文 簡(jiǎn)要 介紹了 VHDL(超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言 )的情況和應(yīng)用前景，并利用 VHDL 語(yǔ)言設(shè)計(jì)出多功能波形發(fā)生器，并進(jìn)行仿真研究 ， 采用 VHDL編程實(shí)現(xiàn)，基于可編程邏輯器件 CPLD 設(shè)計(jì)多波形發(fā)生器 的設(shè)計(jì)方案 。整個(gè)系統(tǒng)除晶體振蕩器和 D／ A轉(zhuǎn)換外，全部集成在一片 芯片上。它可輸出頻率 可調(diào)的正弦波、三角波 、 鋸齒波、 方波 和兩種 或三種 波形線性組合的 10 種波形。任意波形模塊可由用戶自行編輯所需波 形數(shù)據(jù)，經(jīng)下載在不改變整個(gè)系統(tǒng)硬件連接的情況下，輸出用戶所需的特殊波形，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的波形發(fā)生器不具有的一些波形的產(chǎn)生。整個(gè)設(shè)計(jì)采用 VHDL 編程實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，極易修改，可移植性強(qiáng)。 關(guān)鍵詞 ： VHDL語(yǔ)言 。程序設(shè)計(jì)；多功能波形發(fā)生器 ； 線性組合 ； Based on VHDL Language Multifunctional Waveform Generator Design And Simulation Abstract: This article briefly introduced the VHDL (integrated circuit hardware ultrahigh speed description language) the situation and the application prospect of VHDL language, and design a multifunction waveform generator, and simulation research, the programming, based on the VHDL programmable logic devices CPLD design many waveform generator design scheme. The whole system in addition to crystal oscillator and D/A transformation otherwise, all in A integrated chip. It can output frequency adjustable sine wave, triangle wave, the sawtooth wave, square wave and two or three waveform of linear bination of 10 waveform. Arbitrary waveform module can be required by the user to edit the data in the download, wave does not change the system hardware connection, the output of the customer need special waveform, realize the traditional waveform generator is not some of the waveform production. The whole design by the programming, and its design VHDL process simple and easy to modify, portability is strong. keywords: wavegenerator。 linear bination。VHDL。CPLD 2 第 1 章 緒論 研究波形發(fā)生器的目的與意義 波形發(fā)生器是信號(hào)源的一種，主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào) (各種波形 )，然后用其它 儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)。可見(jiàn)信號(hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和試驗(yàn)測(cè)試處理中 的應(yīng)用非常廣泛。它不是測(cè)量?jī)x器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以滿足測(cè)量或各種實(shí)際需要。 目前我國(guó)己經(jīng)開(kāi)始研制波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來(lái)說(shuō) ,我國(guó)波形發(fā)生器還沒(méi)有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就目前國(guó)內(nèi)的成熟產(chǎn)品來(lái)看 ,多為一些 PC 儀器插卡，獨(dú)立的儀器和 VXI 系統(tǒng)的 模塊很少，并且我國(guó)目前 波形發(fā)生器的種類和性能都與國(guó)外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對(duì)這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。 波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶定義信號(hào)，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，還可對(duì)頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、震動(dòng)激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。 在 70 年代前，信號(hào) 發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時(shí)，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時(shí)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問(wèn)題，一是通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。 在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、 A/D 和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì) DAC 的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器、但是 HP 公司推出了型號(hào)為 HP770S 的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A 任意波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。 HP8770A 實(shí)際上也只能產(chǎn)生 8 種波形，而且價(jià)格 3 昂貴。不久以后， Analogic 公司推出了型號(hào)為 Data2020 的多波形合成器， Lecroy公司生產(chǎn)的型號(hào)為 9100 的任 意波形發(fā)生器等 。 到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過(guò) GHz 的 DDS 芯片，同時(shí)也推動(dòng)了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展。 2021 年， Agilent 的產(chǎn)品 33220A 能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達(dá)到 20M， 2021 年的產(chǎn)品 N6030A 能夠產(chǎn)生高達(dá) 500MHz的頻率，采樣的頻率可達(dá) 。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快。近幾年來(lái)，國(guó)際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā) 展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1）過(guò)去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器 能應(yīng)用 于越來(lái)越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開(kāi)發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。同時(shí)可以利用 一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的公式復(fù)合成 v=f(t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的飛速發(fā)展也對(duì)任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動(dòng)作用。目前可以利用可視化編程語(yǔ)言(如 Visual Basic ,Visual C 等等 )編寫(xiě)任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計(jì) 算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的輸入。 （ 2）與 VXI 資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡以及新近開(kāi)發(fā)的 VXI 模塊。由于 VXI 總線的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI 系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生復(fù)雜的波形， VXI 的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開(kāi)發(fā) VXI 模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專門的 VXI 機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI 模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大型領(lǐng)域。在民用方面， VXI 模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺(tái)式儀器更為方便。 （ 3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺(tái)式儀器在走了一 段下坡路之后，又重新繁榮起來(lái)。不過(guò)現(xiàn)在新的臺(tái)式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺(tái)式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價(jià)格，都比過(guò)去的類 似產(chǎn)品減少了一半。 任意波形發(fā)生器 任意波形發(fā)生器是在 1975 年開(kāi)發(fā)成功的，從此，信號(hào)發(fā)生器增加了一個(gè)新品種。在任意波形發(fā)生器作為測(cè)量用信號(hào)激勵(lì)源進(jìn)入市場(chǎng)之前，為了產(chǎn)生非正弦波信號(hào)，已使用函數(shù)發(fā)生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等幾種特殊波形。聲音和振動(dòng)分析需要復(fù)雜調(diào)制的信號(hào)源，以便仿真真實(shí)的信號(hào)，只有借助任意波形發(fā)生器，例如 醫(yī)療測(cè)試往往需要心電波形，任意波形發(fā)生器很容易產(chǎn)生各種非 4 標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)信號(hào)。 早期的任意波形發(fā)生器主要著重音頻頻段，現(xiàn)在的波形發(fā)生器已擴(kuò)展到射頻頻段，它與數(shù)字示波器（ DSO）密切配合，只要數(shù)字示波器捕獲的信號(hào)，任意波形發(fā)生器就能復(fù)制出同樣的波形。在電路構(gòu)成上，數(shù)字示波器是模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換，任意波形發(fā)生器是模擬 /數(shù)字的逆轉(zhuǎn)換，目前任意波形發(fā)生器的帶寬已達(dá)到2GHZ，足夠仿真許多移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信的許多復(fù)雜信號(hào)。 生產(chǎn)數(shù)字示波器的儀器公司一般都供應(yīng)任意波形發(fā)生器，如安捷倫、力科、泰克公司，也有只生產(chǎn)任意波形發(fā)生器的公 司，如雷科、斯坦福公司。儀器有臺(tái)式、 PC 機(jī)虛擬、 VXI 總線、 PXI 總線等多種方式，大部分產(chǎn)品只有 1 路輸出，有的高達(dá) 16 路輸出。儀器采樣率從最低的 100KS/S 到 4GS/S，相當(dāng)實(shí)時(shí)帶寬50KHZ 到最高的 2GHZ。產(chǎn)生任意波形的方法主要有兩種：即存儲(chǔ)器和直接數(shù)字合成（ DDS），前者比較簡(jiǎn)單，分兩種形式：相位累加器式與計(jì)數(shù)器式，但需要較深的存儲(chǔ)容量。儀器的垂直分辨率有 8 位至 16 位，采樣率越高時(shí)分辨率越低，主要受數(shù) /模轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器特性的影響。存儲(chǔ)器的容量從最小的 8K（ 12位）到 16M（ 8 位），通常可根據(jù)客戶要求 擴(kuò)充容量。任意波形發(fā)生器的波形定義主要有面板設(shè)定、方程式設(shè)定、波形下載、軟件設(shè)定、數(shù)字示波器下載、內(nèi)置編輯器等多種。軟件大部分采用 Windows、 LabVIEW 或 VXIpnp,總線主要是GPIB(臺(tái)式儀器 )VXI（模塊儀器）、 PCI/PXI（ PC 機(jī)儀器 )、 RS232（通信）、 LAN（網(wǎng)絡(luò)）等。 任意波形發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，在原理上可仿真任意波形，只要數(shù)字示波器或其他記錄儀捕捉到的波形，任意波形發(fā)生器都可復(fù)制出，特別有用的是仿真單次偶發(fā)的信號(hào)，例如地震波形、汽車碰撞波形等等。以下是幾種尖端技術(shù)中任意波形發(fā) 生器產(chǎn)生的復(fù)雜測(cè)量信號(hào)： 第一、雷達(dá)信號(hào)仿真 ―― 雷科公司的任意波形發(fā)生器有調(diào)幅、調(diào)頻和脈沖三組輸出，組合調(diào)制信號(hào)輸入微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的雷達(dá)信號(hào)模式，用于仿真飛行器的雷達(dá)信令。由于三種調(diào)制信號(hào)有嚴(yán)格的同步和低的相位噪聲，使這種序列信號(hào)既穩(wěn)定又相位噪聲極低，序列內(nèi)內(nèi)科插入觸發(fā)、波形循環(huán)、斷點(diǎn)而不會(huì)失去同步，從而擴(kuò)展成為復(fù)雜的波形產(chǎn)生設(shè)備。 第二、衛(wèi)星音調(diào)仿真 ―― 任意波形發(fā)生器和微波信號(hào)發(fā)生器一起可產(chǎn)生通信衛(wèi)星的音調(diào)仿真。用于測(cè)試地面接收站特性。任意波形發(fā)生器驅(qū)動(dòng)上變頻器在適當(dāng)頻率下產(chǎn)生幾種音調(diào)，在被測(cè)通道 的測(cè)試序列插入空白段，用于播送實(shí)況信號(hào)。 5 任意波形發(fā)生器的數(shù)量視音調(diào)數(shù)目和間隔而定。這種測(cè)試方法同樣可用來(lái)測(cè)試在同一通信鏈路內(nèi)收發(fā)多個(gè)數(shù)據(jù)流的電信系統(tǒng)。 第三、微機(jī)電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng) ―― 微機(jī)電系統(tǒng)有機(jī)械、光學(xué)、電學(xué)的多種信號(hào)，需要幾臺(tái)任意波形發(fā)生器仿真激勵(lì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的復(fù)雜信號(hào)，信號(hào)之間有嚴(yán)格的定時(shí)關(guān)系。 第四、磁盤驅(qū)動(dòng)器仿真 ―― 磁盤驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的同步數(shù)字和模擬信號(hào)可由任意波形發(fā)生器仿真，用于讀 ∕寫(xiě)數(shù)據(jù)的測(cè)試，這種混合信號(hào)仿真可作為平板 LCD、等離子高清晰度電視等的測(cè)試信號(hào)。 第五、數(shù)字通信的仿 真 ―― 第三代移動(dòng)通信屬于多制式多信號(hào)的綜合，對(duì)于這種包括語(yǔ)音、圖像和數(shù)據(jù)的復(fù)雜調(diào)制信號(hào) AWG 可發(fā)揮積極作用和產(chǎn)生非常逼真的信號(hào)。 第六、任意波形發(fā)生器復(fù)制數(shù)字示波器的偶發(fā)信號(hào) ―― 利用兩種儀器的互補(bǔ)特點(diǎn)，任意波形發(fā)生器可復(fù)制出數(shù)字示波器的很難捕捉到的毛刺信號(hào)。 波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法 傳統(tǒng)的波形發(fā)生器大多采用模擬分立元件實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)生的波形種類受電路硬件的限制，體積大，靈活性和穩(wěn)定性相對(duì)較差，電路較復(fù)雜，設(shè)計(jì)周長(zhǎng)長(zhǎng)，調(diào)制較繁瑣。目前波形合成技術(shù)主要有兩種常用的方法，一種是使用專用的 DDS（直接頻率合成）芯片 ，一種是基于 CPLD/FPGA 的解決方案。 DDS 的原理： 將要產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)存入波形存儲(chǔ)器中，然后在參考脈沖的作用下，對(duì)輸入的頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行累加，并將累加器輸出的一部分作為讀取波形存儲(chǔ)器的地址，將讀出的波形數(shù)據(jù)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)， D/A 轉(zhuǎn)換輸出的一系列的階梯電壓信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾波后便輸出了光滑的合成波形信號(hào)。 第 二 章 單元電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)組成及工作原理 完整的系統(tǒng)由 4 個(gè)部分組成：波形發(fā)生控制電路，波形數(shù)據(jù) ROM， D/A 轉(zhuǎn)換和濾波電路。波形發(fā)生控制電路由 VHDL 來(lái)完成，正弦波在一個(gè)周期內(nèi)的波形可以通過(guò)數(shù)字采樣，即用 N 個(gè)幅值離散的等間隔采樣點(diǎn)表示。如圖 1231 為正弦波和三角波采樣的原理，設(shè)其周期為 T，采樣點(diǎn)數(shù)為 N，采樣間隔為