【正文】 ....................................................................... 67 參數(shù)提取和數(shù)據(jù)發(fā)送 ............................................................................. 70 第六章 系統(tǒng)性能測試 ................................................. 73 第七章 結(jié)論與展望 ................................................... 77 致謝 ................................................................ 79 參考文獻(xiàn) ............................................................ 81 研究成果 ............................................ 錯誤 !未定義書簽。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(shè)置波形參數(shù)，進(jìn)而控制硬件系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)波形信號，充分體現(xiàn)了任意 波形發(fā)生 器的 “ 任意性 ” 。 以Quartus II 軟件作為開發(fā)工具，對 Cyclone II 系列 FPGA 芯片 EP2C5Q208C8 實(shí)現(xiàn)的 DDS 結(jié)構(gòu)中的數(shù)字部分及該部分與 USB 接口進(jìn)行了設(shè)計 ，并實(shí)現(xiàn)了波形的調(diào)幅、調(diào)頻及多種數(shù)字調(diào)制 。 本文系統(tǒng)的分析了 DDS 技術(shù)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(shè)計與實(shí)現(xiàn)提供了理論指導(dǎo)。 使用 FPGA 來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)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。摘要 基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) Design and Realization of the Arbitrary Waveform Generator Based on FPGA 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(shù) 和 大規(guī)模集成電路工藝蘊(yùn)育出來的一種新型 測量儀器 ， 能夠 滿足人們對各種復(fù)雜信號或特殊信號的需求 ， 代表 了 信號源的發(fā)展方向。 可編程門陣列（ FPGA）具有高集成度、高速度、 可重構(gòu)等特性 。本課題將 DDS、 USB 接口和虛擬儀器技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起， 以 FPGA 為硬件基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)硬件電路設(shè)計、邏輯設(shè)計和軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了 一款基于 FPGA 的低成本 、便攜式、可擴(kuò)展的 即插即用 任意波形發(fā)生器 。 本課題從總體上規(guī)劃了任意 波形發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)， 結(jié)合 DDS 輸出信號的頻譜特性，設(shè)計了兩種濾波器對信號進(jìn)行濾波處理， 并 開發(fā) 了硬件平臺 。在此基礎(chǔ)上，使用當(dāng)前流行的虛擬儀器設(shè)計軟件LabWindows/CVI，利用計算機(jī)強(qiáng)大的計算和顯示功能，設(shè)計了任意波形發(fā)生器的操作面板。 通過測試 ， 證明本任意波形發(fā)生器達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計要求。 第一章 緒論 1 第一章 緒論 引言 在電子技術(shù)領(lǐng)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。 作為一種 為電子測量和計量提供電信號的設(shè)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(yīng)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 。當(dāng)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(yīng)的對應(yīng)關(guān)系， 這種方法被稱作 “ 激勵 — 響應(yīng) ” 法 [1]， 如圖 所示。由此我們可以看出，高質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)理想的輸入激勵是整個測試系統(tǒng)正確工作的基礎(chǔ)，它從根本上影響測量系統(tǒng)的性能。從技術(shù)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。按照應(yīng)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]。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(jìn)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）。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(shù)的信號發(fā)生器。如果需要生成較復(fù)雜的波形信號，電路的復(fù)雜度及設(shè)計難度都將大大增加。 任意波形發(fā)生器 是現(xiàn)代電子測試領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一 ， 它 的功能遠(yuǎn)比函數(shù)發(fā)生器強(qiáng)，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(yīng)用于 測試、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。 任意波形發(fā)生器 的主要功能 [3]包括： （ 1） 函數(shù)發(fā)生功能 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證 電路 功能、穩(wěn)定性和可靠性，需要給它施加理想波形，任意波形 發(fā)生器能替代函數(shù)發(fā)生器提供正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形，還具有各種調(diào)制和掃頻能力。 （ 2） 任意波形生成 運(yùn)行在實(shí)際電子環(huán)境中的設(shè)備，由于各種 干擾的存在 以及環(huán)境的變化 ，實(shí)際電路中往往存在各種信號缺陷和瞬變信號，例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等。 （ 3） 信號還原 功能 在一些軍事、航空等領(lǐng)域，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計，在設(shè)計完成之后，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中還需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而有些實(shí)驗(yàn)的成 本很高或者風(fēng)險性很大（如飛機(jī)試飛時發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況），人們不可能重復(fù)作實(shí)驗(yàn)來判斷所設(shè)計產(chǎn)品的可行性和穩(wěn)定性。在做一些高耗費(fèi)、高風(fēng)險實(shí)驗(yàn)時，可以通過數(shù)字示波器把實(shí)際中用到的實(shí)際波形記錄下來，再通過計算機(jī)接口下載到 任意波形發(fā)生器 ，通過 任意波形發(fā)生器 還原實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際波形并 加 到設(shè)計電路中，做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。 目前市場上的任意波形發(fā)生器主要采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Synthesuzer， DDS）技術(shù)，這種波形發(fā)生器不僅可以產(chǎn)生可變頻的載頻信號、各種調(diào)制信號，同時還能和計算機(jī)配合產(chǎn)生用戶自定義的有限帶寬的任意信號，可以為多種領(lǐng)域的測試提供寬帶寬、高分辨率的測試信號。 （ 2） PC 總線式 PC（ Personal Computer） 總線式是將任意波形發(fā)生器板卡直接插在 PC 機(jī)的總線擴(kuò)展槽或通過外部接口連接到 PC 總線上，利用 PC 機(jī)來控制任意波形發(fā)生器的工作狀態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用 PC 機(jī)的軟硬件資源，在波形數(shù)據(jù)處理、波形參數(shù)修改方面，計算機(jī)有明顯的優(yōu)勢。 從發(fā)展?fàn)顩r來看， 國外 任意波形發(fā)生器 的研制及生 產(chǎn) 技術(shù)已經(jīng)較為成熟 。 Tektronix 公司的獨(dú)立 結(jié)構(gòu) 任意波形 發(fā)生器 AFG3000 系列 功能完善，人機(jī)界面友好，操作方便，可以以多種方式連接到 PC 機(jī) 上，其 最高采樣率能達(dá)到 2GS/s，輸出信號最高頻率為 240MHz， 任意波頻率 50MHz， 并配備的強(qiáng)大的波形編輯軟件 ArbExpress，用戶可以 方面地 創(chuàng)建和編輯 自己的 波形 。 我國研制任意波形發(fā)生器是從上世紀(jì) 90 年代開始的 ，近年來有一批本土廠商奮起直追，并取得了可喜的成果。 課題 研究 目標(biāo) 從國內(nèi)已有的成熟的任意波形發(fā)生器產(chǎn)品來看，無論是從種類、性能還是生產(chǎn)規(guī)模上均與國外同類產(chǎn)品存在較大差距。 如何降低任意波形發(fā)生器的成本，并提高其性能指標(biāo)是本課題研究的重點(diǎn)。在學(xué)習(xí)、借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的同時，研究、掌握 利用 DDS 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)的 任意波形發(fā)生器的基本組成和關(guān)鍵技術(shù)，為研制高性能多通道任意波形發(fā)生器打下堅實(shí)的基礎(chǔ)，為早日實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)任意波形發(fā)生器達(dá)到世界先進(jìn)水平而努力。10%； （ 9） 幅度范圍： 3V~+3V； （ 10） 偏置范圍 ： ~+； （ 11） 頻率準(zhǔn)確度： ≤177。 第一章 緒論 5 主要研究工作及論文內(nèi)容安排 本文 主要研究基于 FPGA 的任意波形發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，在分析研究 DDS基本原理的基礎(chǔ)上開發(fā)出了任意波形發(fā)生器的硬件平臺和軟件界面。 本論文共分 七 章，各章內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，簡要介紹本文研究工作的發(fā)展 現(xiàn)狀 、目的和意義 以及課題研究的目標(biāo)； 第二章詳細(xì)分析了 DDS 的基本原理及其輸出信號的頻譜結(jié)構(gòu)，介紹了 DDS頻譜特性改進(jìn)技術(shù)； 第三章 描述任意波形發(fā)生器的設(shè)計方案和總體結(jié) 構(gòu)，并對各個模塊硬件電路進(jìn)行了設(shè)計； 第四章介紹了基于 FPGA 的控制模塊、 DDS 波形發(fā)生模塊和調(diào)制模塊的具體設(shè)計 以及 DDS 雜散抑制技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)； 第五章介紹了波形發(fā)生器的軟件設(shè)計，從固件代碼、驅(qū)動程序及用戶程序三個方面進(jìn)行了說明； 第六章對本文設(shè)計的任意波形發(fā)生器的具體性能測試作了說明 ； 第七章對本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并指明了該課題進(jìn)一步的研究方向。頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生頻率源的一種現(xiàn)代化手段， 在通信、 雷達(dá)、 導(dǎo) 航、廣播電視、電子偵察、電子干擾與反干擾 及現(xiàn)代儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用。 對頻率合成器的基本要求是既要合成所需頻率，又要保證信號的純凈。 max minooff? 越大，頻率合成器的輸出頻率范圍越寬，有時候也用相對帶寬 f? 來衡量 其輸出頻率范圍： m a x m i n m a x m i nm a x m i n m a x m i n2 ( )1 0 0 % 1 0 0 %( ) / 2o o o oo o o of f f ff f f f f??? ? ? ? ??? 式 (21) （ 2） 頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度指在 在規(guī)定的時間 間隔內(nèi)，頻率合成器的實(shí)際輸出頻率與頻率標(biāo)定值偏差的數(shù)值，可分為長期、短期和瞬時穩(wěn)定度。 頻率分辨率指兩個輸出頻率之間的最小間隔 。該指標(biāo)與頻率合成所 采 用的技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。雜散又稱寄生信號，分為諧波分量和非諧波分量，主要由頻率合成 過 程 中的非線性失真產(chǎn)生，也有頻率合成器內(nèi)外干擾的影響，還與頻率合成方式有關(guān)；相位噪聲是 是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示，在頻譜上表現(xiàn)為主譜兩邊連續(xù)噪聲邊帶。 （ 6） 調(diào)制性能 調(diào)制性能是指頻率合成器的輸出是否具有 調(diào)幅、調(diào)頻 、 調(diào)相 、 幅移鍵控、頻基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) 8 移鍵控、相移鍵控 、 掃頻、猝發(fā)等功能。 第一代：直接頻率合成技術(shù)。 晶振1晶振2晶振n開關(guān)開關(guān)濾波器開關(guān) 濾波器組控制信號1f2fnf f開關(guān) 圖 直接頻率合成 原理 框圖 圖 是直接頻率合成的一種示例。 這種方法得到的信號長期和短期穩(wěn)定度高，頻率切換速度快，但是大量混頻器和濾波器的使用使大規(guī)模集成不可能，因而體積大、功耗大、調(diào)試難度大，并且雜散抑制不 易 做好。 第二代： 鎖相頻率合成技術(shù)。 它是利用一個或者幾個參考頻率源，通過諧波發(fā)生器混頻或分頻，產(chǎn)生大量的諧波或組合頻率，然后用鎖相環(huán)把壓控振蕩器（ Votage Controlled Oscillator， VCO） 的輸出頻率鎖定在某一諧波或者組合頻率上，由 VCO間接產(chǎn)生所需頻率輸出信號。N參考頻率 參考頻率ofofNrf 圖 鎖相環(huán)頻率合成原理框圖 圖 是鎖相環(huán)頻率合成框圖 ，它的工作原理為：參考頻率提供基準(zhǔn)頻率 rf ，第 二 章 任意波形發(fā)生器的理論分析 9 VCO 輸出頻率 of 經(jīng)分頻器分頻后為 /ofN，此信號與輸入?yún)⒖夹盘栐阼b相器中進(jìn)行相位比較，鑒相器輸出兩個信號的相位誤差信號，再經(jīng)過環(huán)路濾波器送到 VCO，調(diào)整 VCO 的輸出頻率使得 /orf N f? ，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。如果固定參考頻率rf 不變，則 VCO 的輸出頻率是隨 N 變化的一組不連續(xù)的頻率，其值是 rf 的整數(shù)倍。 由此可見，鎖相環(huán)頻率合成器實(shí)際上是一個反饋系數(shù)可變的誤差反饋控制系統(tǒng)。鎖 相 頻率合成的這些優(yōu)點(diǎn)使其具有廣泛的用途，其中一個重要的應(yīng)用方向是用高穩(wěn)定的參考頻率振蕩器作為參考 時鐘 使用環(huán)路鎖定，以提供一系列高純，高穩(wěn)定度的頻率源。根據(jù)工程中的經(jīng)驗(yàn)公式： 25srT f? 式 (22) 由上式可以看出，頻率轉(zhuǎn)換時間 sT 與參考頻率 rf 成反比。目前解決這一問題的辦法是采用小數(shù)分頻合成方法。在頻率轉(zhuǎn)換速度要求不高，但對相位噪聲、雜散要求高的場合，鎖相頻率合成技術(shù)仍有著特殊的優(yōu)勢。 DDS 技術(shù)的出現(xiàn)是頻率合成技術(shù)的一次重大變革， 它 突破了前兩代頻率合成技術(shù)的原理， 從 “ 相位 ” 的概 念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。這種結(jié)構(gòu)利用可程控的 時鐘 信號作為地址計數(shù)器的計數(shù)時鐘，基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) 10 地址計數(shù)器的輸出作為波形存儲器的掃描地址， 波形存儲器輸出相應(yīng)地址的數(shù)字幅度序列，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬階梯波形，最后通過低通濾波器平滑濾波得到最后的輸出波形（ 對 DDS 結(jié)構(gòu)詳細(xì)說明請參照本章第 2 節(jié) ）。通過進(jìn)一步的研究，人們提出了一種更為靈活的 DDS 結(jié)構(gòu)，圖 所示是 基于相位累加器的 DDS 改進(jìn)模型。 這種結(jié)構(gòu)用相位累加器取代了原來的地址計數(shù)器，使得輸出頻率的控制變得更加簡便，只需要通過修改頻率控制字就能實(shí)現(xiàn)。 DDS 具有很高的頻率分辨率、初始相位可控及頻率切換時間快等突出優(yōu)點(diǎn)，但同時存在比較嚴(yán)重的雜散 。 DDS 另外一大優(yōu)勢在于它能方便的產(chǎn)生任意波形，在具體應(yīng)用中，只需要