【正文】 11第一章 緒論代號分類號學號密級10701TP216+.1公開0611420822題（中、英文）目基于FPGA的任意波形發(fā)生器的設計與實現(xiàn)Design and Realization of the Arbitrary WaveformGenerator Based on FPGA作者姓名胡力堅指導教師姓名、職務胡方明 教授學科門類工學提交論文日期二○○九年一月學科、專業(yè)電路與系統(tǒng)西安電子科技大學學位論文創(chuàng)新性聲明秉承學校嚴謹?shù)膶W風和優(yōu)良的科學道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。申請學位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切的法律責任。本人簽名： 日期 西安電子科技大學關于論文使用授權的說明本人完全了解西安電子科技大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產(chǎn)權單位屬西安電子科技大學。學校有權保留送交論文的復印件，允許查閱和借閱論文；學?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復制手段保存論文。同時本人保證，畢業(yè)后結合學位論文研究課題再攥寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學。（保密的論文在解密后遵守此規(guī)定）本學位論文屬于保密，在 年解密后適用本授權書。本人簽名： 日期 導師簽名： 日期 摘要任意波形發(fā)生器是不斷發(fā)展的數(shù)字信號處理技術和大規(guī)模集成電路工藝蘊育出來的一種新型測量儀器，能夠滿足人們對各種復雜信號或特殊信號的需求，代表了信號源的發(fā)展方向?？删幊涕T陣列（FPGA）具有高集成度、高速度、可重構等特性。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設計時間，減小印制電路板的面積，提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性。本課題將DDS、USB接口和虛擬儀器技術有機地結合在一起，以FPGA為硬件基礎，通過系統(tǒng)硬件電路設計、邏輯設計和軟件設計，實現(xiàn)了一款基于FPGA的低成本、便攜式、可擴展的即插即用任意波形發(fā)生器。本文系統(tǒng)的分析了DDS技術的基本組成、工作原理及其輸出信號的頻譜特性，給出了改善合成信號頻譜純度的方法，為任意波形發(fā)生器的設計與實現(xiàn)提供了理論指導。本課題從總體上規(guī)劃了任意波形發(fā)生器的硬件結構，結合DDS輸出信號的頻譜特性，設計了兩種濾波器對信號進行濾波處理，并開發(fā)了硬件平臺。以Quartus II軟件作為開發(fā)工具，對Cyclone II 系列FPGA芯片EP2C5Q208C8實現(xiàn)的DDS結構中的數(shù)字部分及該部分與USB接口進行了設計，并實現(xiàn)了波形的調(diào)幅、調(diào)頻及多種數(shù)字調(diào)制。在此基礎上，使用當前流行的虛擬儀器設計軟件LabWindows/CVI，利用計算機強大的計算和顯示功能，設計了任意波形發(fā)生器的操作面板。通過在操作面板上選擇正弦波、方波、三角波、鋸齒波、白噪聲等常規(guī)波形或者手動繪制任意波形，并設置波形參數(shù)，進而控制硬件系統(tǒng)產(chǎn)生相應波形信號，充分體現(xiàn)了任意波形發(fā)生器的“任意性”。通過測試，證明本任意波形發(fā)生器達到了預期的設計要求。關鍵詞： 直接頻率合成 可編程門陣列 通用串行總線 虛擬儀器AbstractWith the unceasing development of digital signal processing technique and VLSI technology, a new measure instrument—arbitrary waveform generator (AWG) es into being. AWG can meet the desire of plicated and special signal, which represents the developing direction of signal sources. Field programmable gate array (FPGA) has the features of large scale integration, high working frequency and reconfiguration. It can greatly shorten design period, reduce the size of printed circuit board (PCB) and improve system reliability and flexibility to design digital circuit by use of FPGA. By bining direct frequency synthesis (DDS), universal serial bus (USB) and virtual instrument effectively, a low cost, portable and extensible AWG based on FPGA has been realized. The main contents consist of hardware design, logic design and software design are outlined as follows.The thesis systematically introduces the position and working principle of DDS, analyzes the spectrum characteristics of its output, and gives the methods of reducing the noise, which presents the theoretical guidance for design and realization of AWG. The structure of AWG is planned from the overall and the circuit is presented. Considering the spectrum characteristics of DDS’s output, two kinds of filters are designed to filter signals unwanted. The digital part in DDS and its interface with USB are designed on the Cyclone II FPGA chip EP2C5Q208C8 with Quartus II. This digital part can realize amplitude modulation (AM), frequency modulation (FM) and several kinds of digital modulation. On this basis, taking advantage of PC’s powerful calculation and displaying capability, we design the operation panel of AWG with LabWindows/CVI. On the panel user can choose conventional waves such as sine wave, square wave, triangle wave, sawtooth wave, white noise ect., or draw waves by hand, and set wave parameters to control instrunment generate corresponding waveform, which embodies the “arbitrary” character of AWG.. The result of experimentation proves that this AWG has attained the desire of design.Keywords： DDS FPGA USB Virtual Instrument目錄第一章 緒論 1 引言 1 任意波形發(fā)生器的功能 2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 3 課題研究目標 4 主要研究工作及論文內(nèi)容安排 5第二章 任意波形發(fā)生器的理論分析 7 頻率合成技術及性能指標 7 DDS原理分析 10 DDS基本結構 10 DDS原理 12 DDS技術特點 16 DDS輸出特性 17 理想情況下DDS的頻譜特性 18 非理想情況下DDS的頻譜特性 20 DDS雜散抑制方法 25第三章 任意波形發(fā)生器的硬件電路設計 27 系統(tǒng)設計方案 27 系統(tǒng)總體結構 27 功能模塊設計 28 FPGA電路 28 D/A轉換電路 31 濾波器的設計 33 放大衰減及直流偏置電路 37 外部接口電路 40 電源電路 43 印制電路板的設計 43第四章 FPGA邏輯設計 45 FPGA及其開發(fā)環(huán)境簡介 45 現(xiàn)場可編程門陣列簡介 45 Quartus II 46 任意波形發(fā)生器的FPGA實現(xiàn) 47 地址譯碼和控制數(shù)據(jù)寄存模塊 48 移位寄存器控制邏輯 49 數(shù)字電位器控制邏輯 50 相位累加器的設計 51 波形存儲器的設計 52 任意波形調(diào)制器的研究 54 幅度調(diào)制 55 頻率調(diào)制 56 數(shù)字調(diào)制 57 相位抖動注入技術的研究 58第五章 任意波形發(fā)生器的軟件設計 59 系統(tǒng)軟件結構 59 固件程序設計 59 功能分析 60 固件程序結構 60 固件程序開發(fā) 61 USB設備驅動程序 62 驅動程序的實現(xiàn) 62 USB設備的訪問 63 用戶應用程序 63 開發(fā)平臺LabWindows/CVI 64 任意波形發(fā)生器軟件界面 64 波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生 65 參數(shù)提取和數(shù)據(jù)發(fā)送 68第六章 系統(tǒng)性能測試 71第七章 結論與展望 75致謝 77參考文獻 79研究成果 815第一章 緒論第一章 緒論 引言在電子技術領域，常需要波形、頻率、幅度都可調(diào)節(jié)的電信號，用于產(chǎn)生這種電信號的電子測量儀器稱作信號發(fā)生器。信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應用于電子電路、自動控制和科學實驗等領域。作為一種為電子測量和計量提供電信號的設備，它和萬用表、示波器、頻率計等儀器一樣，是最普通、最基本，也是應用最廣泛的電子儀器之一，幾乎所有電參量的測量都需要用到信號發(fā)生器。 從本質上看，測量是一個將客觀物理量轉換成測試信息量的變換過程[1]。當測試對象為系統(tǒng)性能參數(shù)時，通常采用如下測量方法：在測試系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)的測量基于輸入激勵和輸出響應的對應關系，這種方法被稱作“激勵—響應”法[1]。 參數(shù)測量系統(tǒng)模型框圖采用“激勵—響應”方法進行系統(tǒng)參數(shù)測量時，需要產(chǎn)生已知的激勵信號輸入到被測系統(tǒng)，系統(tǒng)對激勵信號輸出相應的響應信號，通過對該響應的測定和分析找出被測系統(tǒng)的輸入—輸出關系，從而定義系統(tǒng)的性能。由此我們可以看出，高質量激勵信號的產(chǎn)生是系統(tǒng)參數(shù)測量中一個重要的環(huán)節(jié)，標準理想的輸入激勵是整個測試系統(tǒng)正確工作的基礎，它從根本上影響測量系統(tǒng)的性能。自從上世紀40年代惠普為美國海軍實驗室開發(fā)出第一臺信號發(fā)生開始，信號發(fā)生器一直隨著電子技術、半導電技術和計算技術的發(fā)展而發(fā)展，幾乎成為這些技術發(fā)展的一個縮影。從技術上看，信號發(fā)生器經(jīng)歷了由模擬信號發(fā)生器、數(shù)字信號發(fā)生器到虛擬信號發(fā)生器的發(fā)展過程。發(fā)展到今天，信號發(fā)生器的種類已經(jīng)多種多樣，包括正弦信號發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器等。按照應用范圍又可分為專用信號發(fā)生器和通用信號發(fā)生器[2]。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器一般基于模擬技術。它首先生成一定頻率的正弦信號，然后再對這個正弦信號進行處理，從而輸出其他波形信號（例如通過比較器可以輸出方波信號，對方波信號通過積分器可以生成三角波信號等）。這種方法的關鍵在于如何生成特定頻率的正弦信號。早期的信號發(fā)生器大都采用諧振法，后來出現(xiàn)采用鎖相環(huán)等頻率合成技術的信號發(fā)生器。但基于模擬技術的傳統(tǒng)信號發(fā)生器能生成的信號類型比較有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少數(shù)的規(guī)則波形信號。如果需要生成較復雜的波形信號，電路的復雜度及設計難度都將大大增加。隨著科學實驗研究需求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器在一些特定的場合已經(jīng)不能滿足要求，因為在許多應用研究領域，不但需要一些規(guī)則的信號，同時還需要一些不規(guī)則信號用于系統(tǒng)特性的研究，如某些電子設備的性能指標測試、系統(tǒng)中各種瞬變波形和電子設備中出現(xiàn)的各種干擾的模擬研究，就需要一些能提供一些非常規(guī)測試信號甚至是任意信號的信號源，即能產(chǎn)生現(xiàn)場所需波形的任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）。任意波形發(fā)生器是現(xiàn)代電子測試領域應用最為廣泛的通用儀器之一，它的功能遠比函數(shù)發(fā)生器強，可以產(chǎn)生各種理想及非理想的波形信號，對存在的各種波形都可以模擬，廣泛應用于測試、通信、雷達、導航、宇航等領域。 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源的信號生成能力，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源所不能生成的任意波形，從而滿足測試和仿真實驗的要求。任意波形發(fā)生器的主要功能[