【正文】 圖 11 可變時(shí)鐘計(jì)時(shí)器尋址波形發(fā) 生器 計(jì)數(shù)器實(shí)際上是一個(gè)地址發(fā)生器，計(jì)數(shù)器的觸發(fā)時(shí)鐘脈沖由一個(gè)頻率可以控制的頻率發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)改變頻率發(fā)生器的頻率設(shè)置值，實(shí)現(xiàn)調(diào)整計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的地址變化速安徽 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 率，從而改變輸出的任意波形的頻率。 可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址方式 采用可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址波形存儲(chǔ)器表，該方法是一種傳統(tǒng)型任意波形發(fā)生器。但也存在一些問(wèn)題，如波形輸出期間，微處理器因?yàn)槭チ丝偩€控制權(quán)，無(wú)法進(jìn)行其他操作 。 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(qǐng)總線控制權(quán)，通過(guò)地址總線給出存儲(chǔ)器的地址信號(hào)，同時(shí)選通存儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)。波形數(shù)據(jù)輸出依靠指令的執(zhí)行來(lái)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 。這種方式具有電路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)。 波形發(fā)生器的幾種實(shí)現(xiàn)方式 任意波形發(fā)生器得實(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。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。 ，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來(lái)。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(mén)的 VXI 機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI安徽 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大 型領(lǐng)域。 VXI 資源結(jié)合。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。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。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 : ，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。不久以后， Analogic公司推出了型號(hào)為 Data 一 2020 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。 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。 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(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。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 。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。 課題研究現(xiàn)狀和應(yīng)用 信號(hào)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、安徽 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。 因此傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器己經(jīng)越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代電子測(cè)量的需要，正逐步退出歷史舞臺(tái)。一般傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來(lái)產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測(cè)量工作對(duì)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(shí)輸出波形相位連續(xù)等。信號(hào)源有很多種，包括正弦波信號(hào)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(hào)源等。信號(hào)發(fā)生器是實(shí)驗(yàn)室的常用儀器之一，設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器具有實(shí)際應(yīng)用的意義。由于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)具有高集成度、高速度、可實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)器功能的特性，能有效地實(shí)現(xiàn) DDS技術(shù)，極大的提高信號(hào)發(fā)生器的性能，降低生產(chǎn)成木。安徽 理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 引言 任意波形發(fā)生器己成為現(xiàn)代測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一，代表了信號(hào)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(gè)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。 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(dòng)了生產(chǎn)力的發(fā)展和社會(huì)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。波形發(fā)生器即通常所說(shuō)的信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，它具有信源的所有特點(diǎn)。 波形發(fā)生器廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、測(cè)控、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化儀器儀表等領(lǐng)域，是一種為電子測(cè)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號(hào)設(shè)備，和示波器、電壓表、頻率計(jì)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(cè)量都要用到波形發(fā) 生器。可見(jiàn)，為適應(yīng)現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展和市場(chǎng)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。這種信號(hào)發(fā)生器雖然具有輸出信號(hào)頻率范圍寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單等優(yōu)點(diǎn)，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。而基于頻率合成技術(shù)制成的信號(hào)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。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。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。二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。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。 HP877OA 實(shí)際上也只能產(chǎn)生 8 中波形，而且價(jià)格昂貴。 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， 2020 年 Agilent 能夠產(chǎn)生高達(dá) 50OMHz的頻率，采樣的頻率可達(dá) 。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。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。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。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。在民用方面， VXI 模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺(tái)式儀器更為方便。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。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。 程序控制輸出方式 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。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 。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 方式輸出信號(hào)，可以大大提高信號(hào)的數(shù)據(jù)輸出速率。在一個(gè) DMA 操作中，只能在一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)輸出。原理框圖如圖 11所示。計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的地址碼提供讀出存儲(chǔ)器中波形數(shù)據(jù)所需要的地址信號(hào)，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。但其取樣時(shí)頻率較高，對(duì)硬件的 要求也較高，而且常需多級(jí)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。由于用硬件電路取代了計(jì)算機(jī)的控制，信號(hào)輸出穩(wěn)定度高。更主要 的是，可以將微處理器從信號(hào)輸出的負(fù)擔(dān)中解脫出來(lái)。 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(jì)信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率比較高的信號(hào)，例如頻率為幾 M 的正弦波。 課題基 于 FPGA的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)主要研究?jī)?nèi)容為 DDS 基數(shù)及其 FPGA的實(shí)現(xiàn)。 隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)日益增長(zhǎng)，社會(huì)對(duì)電子產(chǎn)品的需求量也就越來(lái)越大，目前，我國(guó)的電子產(chǎn)品市場(chǎng)正在迅速的壯大，市場(chǎng)前景廣闊。FPGA/CPLD(Complex Programmable Logic Device)所具有的靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改，這樣就極大地提高了電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和通用性，縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間并降低可電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本，且可以毫不夸張地講， FPGA/CPLD 能完成任何數(shù)字器件的功能，從簡(jiǎn)單的 74 電路到高性能的 CPU。 現(xiàn)在隨著電子技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的技術(shù)含量越來(lái)越高，使得芯片的復(fù)雜程度越來(lái)越高，人們對(duì)數(shù)萬(wàn)門(mén)乃至數(shù)百萬(wàn)門(mén)設(shè)計(jì)的需求也越來(lái)越多，特別是專用集成電路 （ ASIC）設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨進(jìn)步和完善，推動(dòng)了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的迅速發(fā)展。設(shè)計(jì)工作從行為、功能級(jí)開(kāi)始，并向著設(shè)計(jì)的高層次發(fā)展。 第三代 EDA系統(tǒng)中除了引入硬件描述語(yǔ)言，還引入了行為綜合工具和邏輯綜合工具，采用較高的抽象層次進(jìn)行設(shè)計(jì)，并按層次式方法進(jìn)行管理，可大大提高處理復(fù)雜設(shè)計(jì)的能力，縮短設(shè)計(jì)周期，綜 合優(yōu)化工具的采用使芯片的品質(zhì)如面積、速度和功耗等獲得了優(yōu)化，因而第三代 EDA 系統(tǒng)迅速得到了推廣應(yīng)用。 VHDL 是一種新興的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，使用 VHDL 進(jìn)行設(shè)計(jì)其性能總是比常規(guī)使用 CPU或者 MCU 的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在性能上要高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。本課題設(shè)計(jì)是采用美國(guó) Altera 公司的 EPF10K50ETI1442 器件，使用的是 Altera 公司的 EDA 軟件平臺(tái)Maxplus– II 可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)軟件。頻率合成理論早在 30年代就開(kāi)始提出，迄今為止已有 70 年的發(fā)展歷史。頻率合成大致經(jīng)歷了三個(gè)主要階段 :直接頻率合成 。直接數(shù)字頻率合成。它利用混頻器、倍頻器、分頻器與帶通濾波器來(lái)完成四則運(yùn)算。缺點(diǎn)是直接合成由于使用了大量硬設(shè)備如混頻器、倍頻器、分頻器、帶通濾波器等，因而體積大、造價(jià)高。而且頻 率范圍越寬，寄生分量也就越多。直接頻率合成技術(shù)的固有缺點(diǎn)在間接頻率合成技術(shù)中得到了很到的改善。鎖相環(huán)路 (PLL)是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控住系統(tǒng)。但是由于其復(fù)雜的技術(shù)原理直到 1947年鎖相環(huán)路才第一次用于電視接收機(jī)水平和垂直的同步掃描。它在無(wú) 線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。主要表現(xiàn)在高頻率分辨率