基于DDS技术的任意波形发生器毕业设计.doc

1 概述 1.1选题意义 任意波形发生器是信号源的一种，它具有信号源所有的特点。我们传统都认为信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数而是根据使用者的要求仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。 信号源有很多种，包括正弦波信号源，函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。一般来讲任意波形发生器，是一种特殊的信号源，综合具有其它信号源波形生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。 1).函数功能，仿真基础实验室设计人员的环境 函数信号源是使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫描能力，众所周知，在我们的基础实验中(如大学电子实验室、科研机构研究实验室、工厂开发实验室等)，我们设计了一种电路，需要验证其可靠性与稳定性，就需要给它施加理想中的波形以辨别真伪。总之利用任意波形发生器这方面的基础功能，能仿真基础实验室所必须的信号。 2).任意波形，仿真模拟更复杂的信号要求 众所周知，在我们实际的电子环境所设计的电路在运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等(见图1-1，图1-2)，这些情况的发生，如在设计之初没有考虑进去，有的将会产生灾难性后果。例如图1中的a处过尖峰脉冲，如果给一个抗冲能力差的电路，将可能会导致整个设备“烧坏”。确认电路对这样一个状况敏感的程度，我们可以避免不必要的损失，该方面的要求在航天、军事、铁路和一些情况比较复杂的重要领域尤其重要。 由于任意波形发生器特殊的功能，为了增强任意波形生成能力，它可以依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，可以通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，更进一步仿真模拟实验。同时由于编辑一个任意波形有时需要花费大量的时间和精力，并且每次编辑波形可能有所差异这样有的任意波形发生器，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对比;或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。 图1-1有尖脉冲的数字信号 图1-2有频率突变的方波 综上所述，任意波形发生器是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。传统的任意波形发生采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。本设计采用单片机和FPGA器件相结合的方法，充分利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力和FPGA器件的快速性、外设的替代性，采用DDS技术，实现频率、幅值可调的任意波形的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。 1.2仪器功能 本设计完成的任意波形发生器具有以下几个功能： 实现方波、矩形波、梯形波、锯齿波、三角波、正弦波、指数波等任意波形的输出。 输出波形频率、幅值、相位连续可调，输出波形频率最低可以达到0.0lHz，最大频率 受器件性能限制。最小分辨率可以达到0.002Hz。 1.3设计原理 本设计采用DDS技术，该技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。基于DDS的AWG是通过改变相位增量值(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。所有相位点的数据都放在查找表中。采用插值描点的方式，将要产生的波形用若干个点代替，然后依次输出，每个点的电平由查找表中的相位点数据经过D/A得到。这个过程相当于采样保持及A/D转换的逆过程，将经过D/A转换器产生的波形经过低通滤波，就得到了所得波形。控制D/A转换器的参考电压，就可以实现幅值可调;控制两个插值点之间的相位，就实现了频率可调。 本设计的控制器利用单片机完成，DDS合成芯片利用FPGA实现。单片机通过键盘进行人机交互，获得欲输出信号的波形，幅值，频率。FPGA芯片控制基准电源产生合适电压，作为D/A转换器的参考电压，然后从查找表中获得数据，送到D/A转换器，送出一个点的数值。依次处理完查找表一个周期数据后，再重新开始，输出下一个周期的波形。经过D/A转换的信号再经过低通滤波，滤掉插值频率和高次干扰波，就可以得到需要的任意波形。 根据设计要求、实际需要及实验室条件，相应地选择了以下器件及设计工具。在进行系统硬件电路设计时，选用Intel公司的80C196KC单片机作为控制主芯片、Altera公司的EPF10K10作为DDS合成FPGA芯片，选择Protel99sE设计系统电路的原理图及PCB图、Pspice软件进行硬件仿真。在进行了FPGA芯片设计时，选用了Altera公司的MAX+PlusII10.0工具作为芯片设计平台，选择Verilog-HDL硬件描述语言进行设计。在进行