基于FPGA的任意信号发生器的设计
【摘要】
随着计算机技术的迅猛发展，信号发生器的设计制作越来越多的是用计算机技术，种类繁多，价格、性能差异很大。用FPGA来实现，它的优点是可以进行功能仿真，而且FPGA片内资源丰富，设计的流程简单。用FPGA所构成的系统来产生波形信号，这个系统既能和主机系统相连，用相应的上软件展示波形信号，又方便程序的编写。
本文首先概述了信号发生器在国内外的发展及趋势，然后介绍了信号发生器的相关理论、FPGA的相关知识并探讨了框架结构、LABVIEW开发平台。通过在操作面板上选择正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声等常规波形或者手动绘制任意波形，并设置波形参数，进而产生相应波形信号，充分体现了任意信号发生器的“任意性”。通过测试，证明本任意波形发生器达到了预期的设计要求。
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关键字:】信号发生器现场可编程门阵列实验室虚拟仪器工程平台
（一）引言 1
（二）信号发生器的几种实现形式 2
1. DMA输出方式 2
2. 可变时钟计数器寻址方式 2
3. 直接数字频率合成方式 2
（三）LabVlEW的介绍 3
1. LabVlEW应用领域 3
2. LabVlEW特点 4
3. LabVIEW FPGA图形化的开发环境 4
二、硬件设计 6
（一）现场可编程门阵列 6
（二）每个模块的功能如下 6
1. 可编程输入输出单元（IOB） 6
2. 可配置逻辑块（CLB） 7
3. 数字时钟管理模块（DCM） 8
4. 嵌入式块RAM（BRAM） 8
5. 丰富的布线资源 8
6. 底层内嵌功能单元 9
（三）外围电路设计 10
（四）基本特点 10
三、设计方案 11
（一）总设计方案 11
（二）任意波形发生器的FPGA实现 11
1. DDS原理 11
2. D／A转换器电路的设计 12
3. 波形数据存储器设计 12
4. 相位累加器 12
（三）串口发送设计 13
（四）波形类型设计 14
（五）频率选择模块设计 15
（六）峰峰值调节设计 15
（七）程序框图设计 16
（八）前面板界面 16
结束语 17
致谢 18
参考文献资料 29
附 录:程序vhdl代码 20
一、绪论
（一）引言
信号发生器己经成现代测试领域应用最为广泛通用仪器之一，代表信号源的发展方向。直接数字频率合成(DDS)是二十世纪七十年代初提出的一种全数字的频率合成技术，其查表合成波形的方法可以满足产生任意波形的要求。由于现场可编程门阵列(FPGA)具有高集成度、高速度、可实现大容量存储器功能的特性，能有效地实现DDS技术，极大的提高信号发生器的性能，降低生产成本。
信号源作为一种基本的电子设备在通信，雷达，导航，测量，科研和教学等领域，具有广泛的应用范围。尤其是任意波形发生器，因为它可以产生各种实际用户所要求的信号，使用户以前需要在调试领域现在可以在实验室中进行，大大减少了时间。现在，随着电子技术，特别是微电子技术的飞速发展，基于FPGA的任意波形信号发生器将成为主流高端信号源的发展。因此，本文设计使用一台PC主机和下位单片机构成，基于FPGA的任意波形发生器的设计。使用LabVIEW图形化语言，具有良好的人机交互设计源面板。利用PC机强大的数据处理能力，用户可以快速，轻松地编辑所需的各种波形。
（二）信号发生器的几种实现形式
1. DMA输出方式
DMA模式输出不依赖于执行程序，由DMA控制器控制总线，地址总线内存地址信号，而浇注存储器和D/ A转换器，两个通道之间的直接数据，从而使的波形存储器中的数据到D / A转换器的各个单元的输出信号转换。 DMA模式的输出信号，可以大大提高信号的数据输出速率。但也有一些问题，如由于微处理器的总线控制的损失，不能进行其他操作，在DMA操作期间，只有在一个D / A转换器和存储器之间的数据传输的期间内的波形输出，就无法实现多声道信号输出。
2. 可变时钟计数器寻址方式
使用可变时钟计数器寻址波形存储器表，该方法是一种传统的任意波形发生器。地址发生器实际上是一个计数器，该计数器由时钟脉冲的频率发生器的频率可以通过改变频率设定值的频率发生器的控制触发时，地址计数器，生成实现调整的变化率，从而改变输出的任意波形的频率。地址计数器生成的代码中的波形数据读出所需的信号波形数据的存储器的地址被顺序地读出到高速的D / A转换，模拟过渡，输出所需的低通滤波器波形。可见传统的任意波形发生器的，可变时钟和计数器可寻址的波形存储器表这种方法的优点是产生一个连续的，高品质的输出波形。但采样频率越高，对硬件的要求也更高，往往需要多层次的划分，或者使用高性能PLL，分割式低频分辨率的任意波形发生器，锁式任意波形发生器的频率切换速度很慢。
3. 直接数字频率合成方式
Dos(direet digital synthesizer)的存储单元是一组按照存储的顺序，将被输出的波形数据，所述控制电路的协调控制，以一定的速率，周期的波形的信号波形数据输出点数据被顺序地发送到D / A转换成相应的模拟信号。而不是控制计算机，信号输出和高稳定性的硬件电路。更新输出信号，不改变任何线路和组件，可以简单地覆盖存储波形数据。更重要的是，从微处理器输出的信号可以被释放的负担。
（三）LabVlEW的介绍
1986年，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境来建立虚拟仪器面板，从而完成对仪器的控制、数据分析与显示功能。它可以代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能、使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的功能。虚拟仪器的出现代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点：软件是核心，灵活性和可扩展性，性价比高，良好的人机界面，与其他设备互联的能力。
LabVlEW是美国国家仪器公司推出的基于图形编程的虚拟仪器软件，它不仅是一种开发语言，更是一个具有扩展性和通用性的软件开发平台。LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。同时，LabVIEW提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线型代数、信号生成算法、时域和频域算法众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。
1. LabVlEW应用领域
LABVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。
测试测量：LabVIEW将最初的测试和测量以及设计，测试和测量现在LabVIEW应用最广泛的。经过多年的发展，LabVIEW在测试测量领域获得了广泛的认可。到目前为止，大部分的主要测试设备，数据采集设备有一个专用的LabVIEW驱动程序，可以很方便的使用LabVIEW来控制这些硬件设备。此外，用户可以很容易地找到各种LabVlEW工具包的测试和测量领域。这些套件几乎覆盖了用户的需求 - 高端数控珩磨机综合误差分析控制。
仿真：LabVIEW包含多种数学运算功能，特别适用于模拟，仿真，原型工作。在设计机电设备之前，可以现在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。
快速开发：根据笔者的一些统计中所涉及的项目，完成类似的功能的大型应用软件，LabVIEW程序员需要熟练的开发时间，可能只是一个熟练的C程序员时间需要约1/5。因此，如果该项目的开发时间限制，应优先考虑使用LabVIEW，来缩短开发时间。
跨平台：如果您需要在多个硬件设备上运行相同的程序在上面，你也可以优先使用LabVIEW。 LabVIEW平台具有良好的一致性。 LabVIEW代码无需修改既可运行的三个常见的桌面操作系统：在Windows，Mac OS和Linux。此外，LabVIEW还支持多种实时操作系统和嵌入式设备，如常见的PDA，FPGA，以及运行的VxWorks和PharLap系统RT设备。2. LabVlEW特点
原文链接：http://www.jxszl.com/jxgc/zdh/5294.html
