【正文】 課 程 設(shè) 計題 目多功能波形發(fā)生器的設(shè)計學(xué) 院信息工程學(xué)院專 業(yè)班 級姓 名指導(dǎo)教師年月日摘要 3Abstract 4多功能波形發(fā)生器的設(shè)計 4 6 課設(shè)目的 6 62設(shè)計方案 8 8 設(shè)計原理 8 93仿真結(jié)果 15 15 16 16 18 RTL視圖 194程序分析 21 21 215小結(jié) 236參考文獻(xiàn) 247附錄源程序代碼 25摘要 多功能信號發(fā)生器已成為現(xiàn)代測試領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一，代表了信號源的發(fā)展方向。直接數(shù)字頻率合成(DDS)是二十世紀(jì)七十年代初提出的一種全數(shù)字的頻率合成技術(shù)，其查表合成波形的方法可以滿足產(chǎn)生任意波形的要求。由于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)具有高集成度、高速度、可實現(xiàn)大容量存儲器功能的特性，能有效地實現(xiàn)DDS技術(shù)，極大的提高函數(shù)發(fā)生器的性能，降低生產(chǎn)成本。 本文首先介紹了函數(shù)信號發(fā)生器的研究背景和DDS的理論。然后詳盡地敘述了利用VHDL語言描述DDS模塊的設(shè)計過程，以及設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題。文中詳細(xì)地介紹了多種信號的發(fā)生理論、實現(xiàn)方法、實現(xiàn)過程、部分VHDL代碼以及利用Quartus仿真的結(jié)果。 文中還介紹了Altera公司的DE2多媒體開發(fā)平臺的部分功能及使用，并最終利用DE2平臺完成了多功能信號發(fā)生器的大部分功能。包括由LCD顯示和按鍵輸入構(gòu)成的人機界面和多種信號的發(fā)生。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是BURRBROWN公司生產(chǎn)的DAC902。該信號發(fā)生器能輸出8種不同的信號，并且能對輸出信號的頻率、相位以及調(diào)制信號的頻率進(jìn)行修改設(shè)定。關(guān)鍵詞：VHDL D/A接口 Abstract Multi function signal generator has bee the most widely used in modern testing field of general instrument, and has represented one of the development direction of the source. Direct digital frequency synthesis (DDS) is a totaly digital frequency synthesis technology, which been put forward in the early 1970s. Using a lookup table method to synthetic waveform, it can satisfy any requirement of waveform produce. Due to the field programmable gates array (FPGA) with high integrity, high speed, and large storage properties, it can realize the DDS technology effectively, increase signal generator’s performance and reduce production costs. Firstly, this article introduced the function signal generator of the research background and DDS theory. Then, it described how to design a DDS module by VHDL, and introduced various signal occurs theory, method and the implementation process, VHDL code and simulation results. This paper also introduces the function of DE2 multimedia development platform, and pleted most of the functions of multifunction signal generator on DE2 platform finally. Including the occurrence of multiple signal and the manmachine interface which posed by LCD display and key input. Digitaltoanalog converters is DAC902, which produced by pany BURRBROWN. This signal generator can output eight different kinds of signals, and the frequency of the output signal, phase and modulation frequency signal also can be modifyed. Keywords: VHDL D/A Interface 多功能波形發(fā)生器的設(shè)計信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。它能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波等，在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的信號發(fā)生器。 傳統(tǒng)的信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波信號發(fā)生器，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間。它能夠提供正弦波、鋸齒波、方波、三角波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復(fù)雜的電路和機電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，但是模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點。而且要產(chǎn)生的信號波形越復(fù)雜，則電路結(jié)構(gòu)也會越復(fù)雜。同時還有兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(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)。 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展對信號源提出了越來越高的要求。這些要求主要表現(xiàn)在高分辨率、高輸出頻率、任意波形等方面。此時傳統(tǒng)的信號發(fā)生器已經(jīng)無法滿足要求。 直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesizer簡稱DDS）技術(shù)是一種新的全數(shù)字的頻率合成原理，它從相位的角度出發(fā)直接合成所需波形。這種技術(shù)由美國學(xué)者J．Tiercy，M．Rader和B．Gold于1971年首次提出，但限于當(dāng)時的技術(shù)和工藝水平，DDS技術(shù)僅僅在理論上進(jìn)行了一些探討，而沒有應(yīng)用到實際中去。但是隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器性能大幅提高，高速的D/A以及隨機存儲器大量涌現(xiàn)，DDS技術(shù)已經(jīng)變得很容易實現(xiàn)。它已廣泛應(yīng)用于通訊、雷達(dá)、遙控測試、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等許多領(lǐng)域。將其與簡單電路相結(jié)合就可以精確模擬仿真各種信號。 不論是在生產(chǎn)、實驗還是在科研與教學(xué)上，多功能信號發(fā)生器都是用于仿真實驗的最佳工具。隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對相應(yīng)的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，多功能信號生器己成為測試儀器中至關(guān)重要的一類，因此開發(fā)多功能信號發(fā)生器具有重大意義。 課設(shè)目的（1）懂得多功能波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)組成（2）懂得利用FPGA芯片實現(xiàn)多種波形的產(chǎn)生方法（3）懂得一種復(fù)雜FPGA電路的設(shè)計 設(shè)計一個多功能波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和由用戶編輯的特定形狀波形。具體要求如下： （1） 具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波4種周期性波形的功能。 （2） 用鍵盤輸入編輯生成上述4種波形（同周期）的線性組合波形。 （3）具有波形存儲功能。 （4）輸出波形的頻率范圍為100Hz～200kHz；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔≤100Hz。 （5）輸出波形幅度范圍0～5V（峰峰值），（峰峰值）調(diào)整。 （6）具有顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率（周期）和幅度的功能。 （7）用鍵盤或其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形。多功能波形發(fā)生器系統(tǒng)由以下四部分組成：輸入部分、FPGA部分、DAC、顯示部分組成。 圖1 多功能波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖本次設(shè)計是基于Altera公司的QuartusII軟件。Quartus II 是Altera公司的綜合性PLD開發(fā)軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。QuartusII支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFuction宏功能模塊庫，使用它，可以簡化設(shè)計的復(fù)雜性，加快設(shè)計速度。QuartusII平臺支持一個工作組環(huán)境下的設(shè)計要求，其中包括支持基于Internet的協(xié)作設(shè)計。此外，QuartusII通過和DSP Builder工具與Matlab/SIMULINK相結(jié)合，可以方便地實現(xiàn)各種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)開發(fā)，集系統(tǒng)級設(shè)計、嵌入式軟件設(shè)計、可編程邏輯設(shè)計于一體，是一種綜性的開發(fā)平臺。2設(shè)計方案模擬鎖相環(huán)實現(xiàn)模擬鎖相環(huán)技術(shù)是一項比較成熟的技術(shù)。應(yīng)用模擬鎖相環(huán)，可將基準(zhǔn)頻率倍頻，或分頻得到所需的頻率，且調(diào)節(jié)精度可以做到相當(dāng)高、穩(wěn)定性也比較好。但模擬鎖相環(huán)模擬電路復(fù)雜，不易調(diào)節(jié)，成本較高，且由于受模擬器件的影響，波形變換調(diào)節(jié)時間較長，輸出波形的毛刺較多，因此模擬鎖相環(huán)實現(xiàn)在低頻（0~500KHz）信號發(fā)生系統(tǒng)中不是很好的方案。直接數(shù)字頻率合成實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成（DDFS）技術(shù)是經(jīng)典的數(shù)字頻率合成技術(shù)。由于數(shù)字量的可操作性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于模擬量，采用DDFS的優(yōu)點在于頻率精度高、波形調(diào)節(jié)方便、且輸出波形毛刺少等?；趩纹瑱C的數(shù)字波形發(fā)生系統(tǒng)受單片機指令頻率的限制，輸出波形頻率較低，而基于FPGA的波形發(fā)生系統(tǒng)就不存在這樣的問題，其輸出頻帶較單片機實現(xiàn)有很大的展寬。本系統(tǒng)設(shè)計選定以FPGA作為系統(tǒng)控制核心的直接數(shù)字頻率合成實現(xiàn)方案。 設(shè)計原理采用DDS技術(shù)可以很方便地產(chǎn)生各種高質(zhì)量的波形。DDS技術(shù)是從相位概念出發(fā)之結(jié)合成所需要波形的一種頻率合成技術(shù)。以正弦波為例，首先要按照一定