基于FPGA的波形信号发生器的设计.pdf

基于FPGA 的波形信号发生器的设计 1、引言 随着微电子技术的发展，20 世纪80 年代中期出现的现场可编程门阵列FPGA 器件得到 了飞速发展。由于该器件具有体系结构、逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点， 可实现大规模和超大规模的集成电路，而且编程灵活。因而在数字信号处理中得到了广泛 应用，越来越受到硬件电路设计工程师们的青睐。 波形发生器是一种广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域的信号源，从某 种意义上说高品质的的信号源更是实现高性能指标的关键。正弦波信号、三角波信号和方 波信号都是科研中最常用的三种信号形式，应非常广泛。它们通常作为标准信号，用于电 子电路的性能试验或参数测量。本文就是利用GW48—SOPC ／DSP 实验开发系统采用宏功能 模块较为方便地实现了正弦波信号、三角波信号和方波信号。可编程门阵列(FPGA)中的波 形发生器控制电路钟，它通过外来控制信号和高速时钟信号，向波形数据ROM 发出地址信 号.输出波形的频率由发出的地址信号的速度决定：当以固定频率扫描输出地址时，模拟 输出波形是固定频率。而当以周期性时变方式扫描输出地址时．则模拟输出波形为扫频信 号。波形数据 ROM 中存有发生器的波形数据．如正弦波数据。当接受来自 FPGA 的地址信 号后，将从数据线输出相应的波形数据，地址变化得越快，则输出数据的速度越快，从而 使D ／A 输出的模拟信号的变化速度越快。 在本实验设计过程中采用可编程逻辑器件FPGA,并通过运用Alter 公司推出的功能强 大的支持可编程逻辑器件的设计环境 QuartusII 软件和基于超高速硬件描述语言 VHDL 编 程语言，可以进行软件模拟检测设计的正确性，大大简化了系统结构，降低了成本，提高 了系统的性能和可靠性，从而方便的实现了信号（正弦信号、三角波信号、方波信号）发 生器电路。 2、波形发生器的设计原理 2.1 硬件电路的设计的理论基础 本设计的设计基础是DDS （直接数字频率合成）技术。DDS （直接数字频率合成）技术 是七十年代初提出的一种新的频率合成技术，它是一种心的全数字频率合成技术，其数字 结构满足了现代电子系统的许多要求。DDS （直接数字频率合成）技术是一种先进的频率 合成技术，有着易于控制、相位连续、分辨率高等特点。DDS 完全不同于我们已经熟悉的 1 直接频率合成技术和锁相环频率合成技术，它的基本原理是采样定理，通过查表法产生波 形，并且伴随着大规模集成电路技术的飞速发展其优越性逐步显现出来。而另一方面，现 场可编程门阵列器件 FPGA 的出现，则是改变了现代电子设计系统的设计方法，提供了一 种全新的设计模式。本实验就是结合了这两项技术，方便简洁的实现了波形发生器的设计。 2.2 设计工具QuartusII 基本介绍 Altera 公司的QuartusII 软件完全支持VHDL 的设计流程，其内部嵌有VHDL 逻辑综合 器。QuartusII 具备仿真功能，同时也支持第三方的仿真工具，如ModelSim。此外，QuartusII 与MATLAB 和DSP Builder 结合，可以基于FPGA 的DSP 系统开发，是DSP 硬件系统实现的 关键EDA 工具。 QuartusII 包括模块化的编译器。编译器包括的功能模块有分析/综合器（Analysis Synthesis）,适配器（Fitter）,装配器（Assembler），时序分析器（Timing Analysis）, 设计辅助模块（Design Assistant）,EDA 网表文件生成器（EDA Netlist Writer）,编辑 数据接口（Compiler Database Interface）等。可以通过选择 Start Compilation 来运 行所有的编辑器模块，也可以通过选择Start单独运行各个模块。还可以通过选择Compiler Tool (Tools 菜单)，在Compiler Tool 窗口中运行该模块来启动编译器模块。在Compiler Tool 窗口中，可以打开该模块的设置文件或报告文件，或打开其他相关窗口。 此外，QuartusII 还包括许多十分有用的LPM （Library of Parametertzed Modules） 模块，它们是复杂或高级系统构建的重要组成部分，在 SOPC 设计中将被大量使用，也可 与QuartusII 普通设计文件一起使用。 本设计中，详细涉及到了QuartusII 及其LMP 模块的