【正文】 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于FPGA的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)摘要函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是各種測(cè)試和實(shí)驗(yàn)過程中不可缺少的工具，在通信、測(cè)量、雷達(dá)、控制、教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試儀器和測(cè)試手段也提出了更高的要求，信號(hào)發(fā)生器己成為測(cè)試儀器中至關(guān)重要的一類。本文在探討函數(shù)信號(hào)發(fā)生器幾種實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。在對(duì)直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)充分了解后，本文選擇以Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片為核心，以硬件描述語言Verilog HDL為開發(fā)語言，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可以產(chǎn)生任意波形（以正弦波為例）和固定波形的（以方波和鋸齒波為例）的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。文中詳細(xì)闡述了直接數(shù)字頻率合成（DDS）、波形產(chǎn)生以及調(diào)幅模塊的設(shè)計(jì)，并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。本文最后給出了整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果，即正弦波、方波、鋸齒波的波形輸出。實(shí)驗(yàn)表明，用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，克服了傳統(tǒng)方法的局限，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生器多波形輸出以及方便調(diào)頻、調(diào)幅的功能。關(guān)鍵詞 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；直接數(shù)字頻率合成；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；Verilog HDLAbstractFunction Generator is an indispensable tool in a process of various tests and experiments. It is widely used in munication, measurement, radar, control, teaching and other fields. With the development of China39。s economic and technological, the corresponding test equipment and test methods are also put forward higher requirements, and the signal generator has bee a vital test instrument.The article examines the several implementations of the function generator. And it has achieved the function generator which is pleted by direct digital frequency synthesis (DDS) technology . Through understanding the direct digital frequency synthesis (DDS) technology, this paper chose to the Altera Corporations’ FPGA chips as the core of design. The function generator which can produce sine, square wave, sawtooth wave was designed. It also used hardware description language Verilog HDL as development language. The paper described the design of the main module, such as direct digital synthesizer (DDS), waveform generation and modulation module. And the corresponding simulation results were also presented.At last, the simulation results of the whole system were presented, that is, sine, square, sawtooth waveform has been carried out. Experiments show that the function generator based on FPGA and direct digital frequency synthesis (DDS)technology has overcame the limitations of traditional methods and achieved a signal generator which can generate multiple waveforms and has facilitate FM, AM function.Keywords Function Genenrator Direct Digital Freguency Synthesizer FPGA Verilog HDL II 目 錄1緒論 1 1 1 1 2 22系統(tǒng)基本原理 4 4 4 DMA輸出方式 4 4 4 5 5 6 DDS原理 6 7 8 DDS頻率合成器優(yōu)缺點(diǎn) 8(FPGA) 9 FPGA簡(jiǎn)介 9 FPGA特點(diǎn) 9 FPGA工作狀態(tài) 10 FPGA的編程技術(shù) 10 FPGA器件配置方式 11 11 Verilog HDL語言簡(jiǎn)介 113系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 13 13 Quartus II簡(jiǎn)介 13 Quartus II設(shè)計(jì)流程 13 Quartus II系統(tǒng)工程設(shè)計(jì) 14 14 15 15 15 Diagram/Schematic File并添加模塊電路 16 Waveform File 16 17 18 FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程 18 FPGA系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 194系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)及仿真 21 21 DDS模塊設(shè)計(jì) 22 32位加法器 22 23 24 24 26 27 285系統(tǒng)調(diào)試 30 30 30結(jié)論 32致謝 33參考文獻(xiàn) 34附錄 35附錄1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖 35附錄2各模塊源程序 35徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)1緒論函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是各種測(cè)試和實(shí)驗(yàn)過程中不可缺少的工具，在通信、測(cè)量、雷達(dá)、控制、教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。不論是在生產(chǎn)、科研還是教學(xué)上，信號(hào)發(fā)生器都是電子工程師信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。而且，信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法多，設(shè)計(jì)技術(shù)也越來越先進(jìn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，對(duì)相應(yīng)的測(cè)試儀器和測(cè)試手段也提出了更高的要求，信號(hào)發(fā)生器己成為測(cè)試儀器中至關(guān)重要的一類，因此開發(fā)信號(hào)發(fā)生器具有重大意義。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器大多采用專用芯片或單片機(jī)或模擬電路，成本高或控制方式不靈活或波形種類較少等不能滿足要求。本課題的目的是研究函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，用更好的方法設(shè)計(jì)出比較復(fù)雜的調(diào)頻、調(diào)幅功能的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。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)、振動(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。這種情況，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實(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HP77OS的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由HP877OA任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP877OA實(shí)際上也只能產(chǎn)生8種波形，而且價(jià)格昂貴。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。2003年，Agilent的產(chǎn)品33220A能夠產(chǎn)生17種波形，最高頻率可達(dá)20M。2005年的產(chǎn)品N6030A能夠產(chǎn)生高達(dá)500MHz的頻率。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，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：，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(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言(如 Visual Basic，VisualC等等)編寫任意波形發(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，來實(shí)現(xiàn)波形的輸入。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。，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(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，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。早在1978年，由美國(guó)Wavetek公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為5MHz，可以形成256點(diǎn)(存儲(chǔ)長(zhǎng)度)波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動(dòng)、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號(hào)源。經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高，其變得操作越來越簡(jiǎn)單，而輸出波形的能力越來越強(qiáng)。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。本文在廣泛收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)進(jìn)行了深入研究，采用可編程邏輯器件完成了本次設(shè)計(jì)。主要工作如下：采用Altera公司的的EP2C35F672C8芯片作為產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的主芯片，通過硬件編程語言實(shí)現(xiàn)DDS模塊電路，這部分工作需要熟悉DDS原理，F(xiàn)PGA的開發(fā)流程，Verilog語言編程以及QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境。利用硬件編程語言設(shè)計(jì)乘法器，實(shí)現(xiàn)波形的幅度調(diào)制功能。ROM的初始化文件設(shè)計(jì)，利用MegaWizard PlugIn Manager定制正弦信號(hào)數(shù)據(jù)ROM。2系統(tǒng)基本原理任意波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案主要有程序控制輸出、DMA輸出、可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址和直接數(shù)字頻率合成等多種方式。計(jì)算機(jī)根據(jù)波形的函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出一系列波形數(shù)據(jù)瞬時(shí)值，并定時(shí)地逐個(gè)傳送給D/A轉(zhuǎn)換器，合成出所需要的波形。這種方式具有電路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)。但數(shù)據(jù)輸出定時(shí)不準(zhǔn)確，會(huì)影響信號(hào)的頻率和相位。波形數(shù)據(jù)輸出依靠指令的執(zhí)行來完成，當(dāng)需要同時(shí)輸出多個(gè)信號(hào)時(shí)，相鄰信號(hào)通道的輸出存在時(shí)間差，受計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的限制，輸出信號(hào)的頻率較低。 DMA輸出方式DMA(direct memory a