基于FPGA的多功能信号发生器.docVIP

基于FPGA的多功能信号发生器 【摘要】本系统以ALTEAR公司的ACEX系列FPGA为数字平台，将微处理器、总线、外设、数字频率合成器、存储器和I/O接口等部件集中在一片FPGA上。利用直接数字频率合成（DDFS）技术、数字调制技术产生所需要的波形。本设计充分利用了片上资源，提高了系统的稳定性和抗干扰性能。 【关键词】 FPGA、数字频率合成器、DDFS 一、方案的选择与论证 1．方案论证与比较 方案一：数字锁相环式频率合成技术，利用锁相环将VCO(压控振荡器)的输出频率锁定在所需频率上，可以很好的选择所需要频率信号，抑制杂散分量，可以采用集成芯片。但在这种锁相倍频电路中，要减小频率间隔，就必须减小输入频率?i，导致频率转换时间增加。而减小输出间隔和减小频率转换时间是矛盾的，而且输出频率在很大范围内变化时，N（分频比）也要随之变化，环路增益也将大幅度变化，从而使环路的动态特性急剧变化。 方案二：采用基于直接数字频率合成的专用芯片AD9852。该方案具有频谱纯度高、集成度高等特点。由于AD9852自带有48位相位累加的数控震荡器，会产生底相燥、高稳定的频率输出波形。但它只直接提供了实现多种数字调制功能，控制方式过于简单，且价格较贵。控制电路比较复杂。 方案三：基于FPGA的片上可编程系统。该方案以高速的FPGA为数字平台，基于直接数字频率合成和数字调制技术原理，虽然专用DDS芯片的功能也比较多，但控制方式确实固定的，因此不一定是我们所需要的。利用FPGA则可以根据需要方便地实现比较复杂的功能，并能简化控制及接口，有利于提高精度、可靠性和灵活性，这也是现代电子技术发展的重要方向，如图1—1所示。 图 1—1 基于FPGA的片上可编程系统 2．方案确定 综合考虑以上三种方案的优缺点以及题目的基本要求和发挥要求，我们选用第三种方案，即基于FOGA的片上可编程系统为我们此次设计的方案。利用新技术、新的解决方案来实现题目的各项功能，缩短设计时间，以便剩下更多的时间来进行严格的测试以及发挥更多的扩展功能。 二、系统设计与理论分析 FPGA具有丰富的门电路和逻辑功能，它运用IP核，将处理器、存储器、I/O口等系统设计需要的功能模块到一块芯片上，构建成一个可编程的偏上系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统中可编程的功能。在可编程期间内，还具有小容量高速RAM资源和足够的可编程逻辑资源，用于实现其他的附加逻辑。 根据题目要求，并综合考虑FPGA的优越性，制定了整体的设计方案：相位累加器为核心，将微处理器、总线、外设、数字频率合成器、存储器和I/O接口等器件集成在一片FPGA上，外部电路采用D/A转换、低通滤波和功率放大及幅度调节等环节。FPGA完成以下五大方面的功能： 控制键盘和显示器；、 根据输入的频率值，通过数据计算得到频率控制字； 实现数字频率合成器； 实现对D/A转换的控制； 这种设计方式充分利用了FOGA的资源，减少了CPU与外设的接口，很大程度上提升了系统的速度、可靠性以及系统的成本。其中，片内波形表ROM传出的数据经D/A转换完成数模转换，有调节系统完成功率放大和幅度控制，从而得到具有一定带负载能力的所需波形。 系统总框图如图1—2所示。 图 1-2系统总体框图 三、各模块实现原理 1.波形产生模块产生原理 图 1—3波形产生图 如图1—3所示，相位累加器为32位累加器，输出为0～（2[23]-1）,作为波形查询表的输入端。正弦表中存放一个周期的正弦波内的2[23]个点的数据，输出∮为所需波形，其频率由“频率控制字”进行调节，计算公式有理论计算部分给出。 2．如图1—4所示，正弦波发生器的原理图及其仿真波形图 图 1—4 正弦波发生器 3．如图1—5所示，方波信号发生器的原理图及其仿真波形 图 1—5 方波发生器 4．如图1—6所示，锯齿波信号发生器的原理图及其仿真波形 图 1—6 锯齿波发生器 5．如图1—7所示，三角波信号发生器原理图及其仿真波形 图 1—7 三角波发生器 6．如图1—8所示，波形放大原理图 图 1—8 波形放大原理图 7．如图1—9所示，D/A转换原理图 图 1—9 D/A转换原理图 四、软件设计 利用QuartusⅡ6.0设计软件，编制了四个功能函数：波形发生函数、调频函数、显示函数、按键函数。CPU通过读取键盘值，根据当前状态执行相应功能。软件流程图如图1—10。 图 1—10 软件设计流程图 五、系统