【正文】 1 緒論 引言 任意波形發(fā)生器己成為現(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個數(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)，極大的提高信號發(fā)生器的性能，降低生產(chǎn)成木。 背景與意義隨著科技的不斷發(fā)展，電子技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展，有力的推動了生產(chǎn)力的發(fā)展和社會信息化程度的提高，電子行業(yè)也經(jīng)歷著日新月異的變化。信號發(fā)生器是實驗室的常用儀器之一，設(shè)計信號發(fā)生器具有實際應(yīng)用的意義。波形發(fā)生器即通常所說的信號發(fā)生器是一種常用的信號源，它具有信源的所有特點。信號源有很多種，包括正弦波信號源、函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號源等。波形發(fā)生器廣泛應(yīng)用于通信、雷達、測控、電子對抗以及現(xiàn)代化儀器儀表等領(lǐng)域，是一種為電子測量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號設(shè)備，和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣是最普通、最基本也是應(yīng)用最廣泛的電子儀器之一，幾乎所有電參量的測量都要用到波形發(fā)生器。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量工作對波形發(fā)生器的性能提出了更高的要求，不僅要求能產(chǎn)生正弦波、方波等標(biāo)準(zhǔn)波形，還能根據(jù)需要產(chǎn)生任意波形，且操作方便，輸出波形質(zhì)量好，輸出頻率范圍寬，輸出頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度及分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快且頻率轉(zhuǎn)換時輸出波形相位連續(xù)等?？梢姡瑸檫m應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和市場需求，研究制作高性能的任意波形發(fā)生器十分有必要，而且意義重大。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率。這種信號發(fā)生器雖然具有輸出信號頻率范圍寬，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但輸出波形單一，不能產(chǎn)生任意波形，且頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度較差，頻率準(zhǔn)確度低。 因此傳統(tǒng)的信號發(fā)生器己經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代電子測量的需要，正逐步退出歷史舞臺。而基于頻率合成技術(shù)制成的信號發(fā)生器，由于可以獲得很高的頻率穩(wěn)定度和精確度，因此發(fā)展非常迅速，尤其是最近隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用更是有了質(zhì)的飛躍。 課題研究現(xiàn)狀和應(yīng)用 信號發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號和用戶定義信號，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，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、振動激勵、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在70年代前，信號發(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，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)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，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)。 在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、戶了D和D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號為HP77OS的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由HP877OA任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP877OA實際上也只能產(chǎn)生8中波形，而且價格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號為Data一2020的多波形合成器，Lecroy公司生產(chǎn)的型號為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，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2005年Agilent能夠產(chǎn)生高達50OMHz的頻率，采樣的頻率可達 。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，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面: ，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、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復(fù)合成v=f(t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達式產(chǎn)生。從而促進了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic，Visual C等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機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測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測量產(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，而且需要專門的VXI機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面，VXI模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺式儀器更為方便。 ，臺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。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。 波形發(fā)生器的幾種實現(xiàn)方式 任意波形發(fā)生器得實現(xiàn)方案主要有程序控制輸出、DMA輸出、可變時鐘計數(shù)器尋址和直接數(shù)字頻率合成等多種方式。 計算機根據(jù)波形的函數(shù)表達式，計算出一系列波形數(shù)據(jù)瞬時值，并定時地逐個傳送給D/A轉(zhuǎn)換器，合成出所需要的波形。這種方式具有電路簡單、實現(xiàn)方便等特點。但數(shù)據(jù)輸出定時不準(zhǔn)確，會影響信號的頻率和相位。波形數(shù)據(jù)輸出依靠指令的執(zhí)行來完成，當(dāng)需要同時輸出多個信號時，相鄰信號通道的輸出存在時間差。受計算機運行速度的限制，輸出信號的頻率較低。 DMA輸出方式 DMA(direct memo access)方式輸出不依賴于程序的執(zhí)行，由DMA控制器申請總線控制權(quán)，通過地址總線給出存儲器的地址信號，同時選通存儲器和D/A轉(zhuǎn)換器，在兩者之間建立直接的數(shù)據(jù)通道，使存儲器相應(yīng)單元中的波形數(shù)據(jù)傳送給D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出信號。DMA方式輸出信號，可以大大提高信號的數(shù)據(jù)輸出速率。但也存在一些問題，如波形輸出期間，微處理器因為失去了總線控制權(quán)，無法進行其他操作。在一個DMA操作中，只能在一個D/A轉(zhuǎn)換器和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)多通道的信號輸出。采用可變時鐘計數(shù)器尋址波形存儲器表，該方法是一種傳統(tǒng)型任意波形發(fā)生器。原理框圖如圖11所示。 圖11可變時鐘計時器尋址波形發(fā)生器 計數(shù)器實際上是一個地址發(fā)生器，計數(shù)器的觸發(fā)時鐘脈沖由一個頻率可以控制的頻率發(fā)生器產(chǎn)生，通過改變頻率發(fā)生器的頻率設(shè)置值，實現(xiàn)調(diào)整計數(shù)器產(chǎn)生的地址變化速率，從而改變輸出的任意波形的頻率。計數(shù)器產(chǎn)生的地址碼提供讀出存儲器中波形數(shù)據(jù)所需要的地址信號，波形數(shù)據(jù)依次讀出后送至高速D/A轉(zhuǎn)換器，將之轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，經(jīng)低通濾波器后輸出所需的波形。可見傳統(tǒng)的任意波形發(fā)生器采用可變時鐘和計數(shù)器尋址波形存儲器表，此方法的優(yōu)點是產(chǎn)生的地址連續(xù)，輸出波形質(zhì)量高。但其取樣時頻率較高，對硬件的要求也較高，而且常需多級分頻或采用高性能的鎖相環(huán)，其中分頻式的任意波形發(fā)生器頻率分辨率低，鎖相式的任意波形發(fā)生器頻率切換速度慢。 DDS(direct digital synthesizer)是在一組存儲器單元中按照信號波形數(shù)據(jù)點的輸出次序存儲了將要輸出波形的數(shù)據(jù)，在控制電路的協(xié)調(diào)控制下，以一定的速率，周而復(fù)始地將波形數(shù)據(jù)依次發(fā)送給D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號。由于用硬件電路取代了計算機的控制，信號輸出穩(wěn)定度高。如需更新輸出信號，不必改動任何線路和元器件，只需改寫存儲器中的波形數(shù)據(jù)即可。更主要的是，可以將微處理器從信號輸出的負(fù)擔(dān)中解脫出來。如圖12為其工作框圖。K相位累加器波形ROMD/A轉(zhuǎn)換低通濾波 信號輸出時鐘 圖12 直接頻率合成器框圖 本文研究的內(nèi)容采用FPGA的方法設(shè)計信號發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率比較高的信號，例如頻率為幾M的正弦波。通常正弦波產(chǎn)生的方法是采用MCU+DDS的方法，但是由于DDS的造價比較高，所以在指標(biāo)要求不高的情況下，可以使用FPGA來實現(xiàn)DDS頻率合成的原理來產(chǎn)生較高頻率的正弦波，任意波形的信號也是如此。課題基于FPGA的信號發(fā)生器的設(shè)計主要研究內(nèi)容為DDS基數(shù)及其FPGA的實現(xiàn)。其目的在于讓設(shè)計者能掌握DDS的原理及其設(shè)計思路，具體的了解EDA技術(shù)流程，熟悉硬件描述語言設(shè)計功能電路，并最終檢驗設(shè)計的設(shè)計能力。隨著我國的經(jīng)濟日益增長，社會對電子產(chǎn)品的需求量也就越來越大，目前，我國的電子產(chǎn)品市場正在迅速的壯大，市場前景廣闊