基于FPGA的函数信号发生器—开题报告.docx

合集下载

基于FPGA的DDS信号发生器设计分析

基于FPGA的DDS信号发生器设计分析

基于FPGA的DDS信号发生器设计分析

摘要:随着现代电子技术的飞速发展,直接数字频率合成DDS 技术逐渐被广泛使用,DDS 是目前数据调度常用的数据分发技术,此技术能够有效结合数据服

务质量要求,完成数据分发操作。为此提出基于FPGA的DDS信号发生器设计,

以提升信号发生器精度效果。

关键词:FPGA;DDS;信号发生器;设计;

1 DDS数据分发模型设计

网络层云服务器采用的DDS数据分发模型结构如图1所示。DDS数据分发模

型中,将数据库云平台中的数据发送端看作为发布者,数据写入者为数据采集端,而订阅者与读入者即为云平台中的数据接收端。DDS数据分发模型的身份主要是

通信数据库云平台中,通信网络的中间件,此模型能够为通信数据库云平台提供

通信数据分发服务,让通信数据可以快速分发传输,从而避免出现数据拥塞问题。

图 1 基于 DDS 的通信数据库云平台

2系统硬件设计

2.1硬件整体方案

函数信号发生器的硬件系统主要包括MCU控制电路,FPGA构成的DDS发生器、DAC转换和低通滤波电路,及一些用于输入输出的器件等。按键输入和LCD输出

显示主要由MCU负责控制,MCU然后将输入的信号运算处理后发送给FPGA,FPGA

根据输入的各种参数在ROM表中寻址,同时输出对应控制的波形、频率和幅度的

数字信号,最后经过DA转换为对应的模拟电压信号,在经过一个低通滤波器使

得模拟电压信号变得平滑。

2.2硬件模块

电路系统的硬件电路主要分为两个部分,一是系统主控电路,二是DDS信号

发生器电路。系统主控电路包括以STM32F103C8T6为主控的最小系统板、四路用

基于FPGA的函数信号发生器设计

基于FPGA的函数信号发生器设计

第14期

2018年5月No.14May ,2018

王译平

(上海东湖机械厂,上海200439)

引言

FPGA 的全称为Field Programmable Gate Array ,即现场可编程门阵列,内部主要由逻辑阵列块LAB 、嵌入式存储器块、I/O 单元和PLL 等模块组成,在各个模块之间存在着丰富的互连线和时钟网络。通过利用超高速集成电路硬件描述语言(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language ,VHDL )编程,在对应的硬件综合平台上对其进行综合,把抽象的软件代码翻译成原理图,再进行相应的配置,使FPGA 实现预想的功能[1]。

直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer ,

DDS )是将波形数据采样数据连续地存储在波形存储

器只读存储器镜像(Read Only Memory image ,ROM )内,结合外围控制电路,将既定的波形数据在输出端口以数字信号形式发出,利用D/A 转换器转换成模拟信号,再通过低通滤波器平滑后输出精确的所需的波形。DDS 更区别于传统的生成波形的数字方法,具有频率可快速切换、相位连续等特点[2]。其工作流程如图1所示。1DDS 的基本原理

DDS 是一种数字化的频率合成技术,其结构主要由相位累加器、波形存储ROM 、D/A 转换器和低通滤波器等四大结构组成,如图2所示。

作者简介:王译平(1984—),男,上海人,工程师,学士;研究方向:装备维修。

(完整word版)基于FPGA的DDS信号发生器设计

(完整word版)基于FPGA的DDS信号发生器设计

基于FPGA的DDS信号发生器设计

摘要:利用FPGA芯片及D/A转换器,采用直接数字频率合成技术,设计并实现了一个频率、幅值可调的信号发生器,同时阐述了该信号发生器的工作原理、电路结构及设计思路。经过电路调试,输出波形达到技术要求,证明了该信号发生器的有效性和可靠性。

0 引言

信号发生器作为一种基本电子设备广泛的应用于教学、科研中,因此从理论到工程对信号的发生进行深入研究,有着积极的意义.随着可编程逻辑器件(FPGA)的不断发展,直接频率合成(DDS)技术应用的愈加成熟,利用DDS原理在FPGA平台上开发高性能的多种波形信号发生器与基于DDS芯片的信号发生器相比,成本更低,操作更加灵活,而且还能根据要求在线更新配置,系统开发趋于软件化、自定义化。本文研究了基于FPGA 的DDS信号发生器设计,实现了满足预定指标的多波形输出。可产生不同频率、幅度的正弦波、三角波、矩形波信号,仿真和实测结果均证实了其灵活性和可靠性。

1 函数信号发生器的原理和设计

1.1 函数信号发生器的结构

图1为DDS信号发生器系统结构框图.系统以FPGA芯片为信息处理核心,主要完成数字频率合成、D/A转换、选择滤波、功率放大、LCD显示等功能。

频率控制字M送入32位的累加器进行累加运算,截取32位累加器的第24到第30位作为ROM的地址,ROM在累加器的控制下,输出8位的数

字波形数据,经过DAC0832转换为模拟量,因为DAC0832输出的是电流的形式,所以通过电压转电流电路转换为电压形式的模拟波形,但其中还含有大量的高频成分,为了输出频率纯净的信号波形,再通过一个二阶的有源低通滤波器。最后为了调节输出信号的峰峰值,再引入一个幅度调节电路。

基于FPGA的多功能信号发生器的设计

基于FPGA的多功能信号发生器的设计

电子电路设计与方案

0 前言

现场可编程门阵列具有运行速度快,修改灵活方便,并自带大量的输入输出端口等优点,通过FPGA实现该信号发生器的核心部件DDS模块,可以灵活地对信号发生器的参数进行调整,另外通过单片机的配合实现对其他外设电路的控制,实现信号发生器显示、参数调节等辅助的功能,通过数模转换电路和波形处理电路实现所需信号波形的输出。本设计的主要指标为:

(1)频率范围:0~1MHz,可通过键盘任意设置频率,步进1Hz。

(2)频率精度:±1%。

(3)幅值范围:±5V,可通过键盘任意设置幅度,步进100mV。

(4)幅值精度:±5%。

(5)用液晶显示所选波形名称,频率,幅值。

1 系统硬件结构

该信号发生器主要是由FPGA构成其最小系统,通过编程实现信号发生器的主要功能部件数字频率合成功能模块,并对其信号进行控制和处理,使得输出波形更加平滑、符合要求。当然为了使电路能够实现人机对话、参数设置等功能,并设计了由单片机和外围电路构成的控制电路部分,实现对显示电路、输入电路的控制。

本系统通过单片机来识别按键所输入的指令,并根据其该指令,产生输出波形的参数要求,并将该数据送入FPGA 的ROM中,再由FPGA完成DDS数据处理功能(频率控制、移相等),将波形数据送入D/A转换器,并将波形参数(如频率、幅值等)送入到显示电路中显示,最后通过低通滤波电路滤波使输出的波形平滑。系统硬件结构如图1所示。本设计未采用专用DDS芯片,而是通Verilog HDL语言编程在目标芯片上来实现信号源的主要功能,可以根据实际设计的要求来增删DDS的功能,具有灵活、方便等特点,同时该DDS模块中的参数及子模块根据所用目标器件稍加调整,完全可用于其他需要DDS技术的应用场合,有很好的通用性。

基于FPGA的信号发生器的设计

基于FPGA的信号发生器的设计
成 复 合 电压 信 号 。
P0 P 2
0度 的前 提 条 件下 叠 加 而 成 的信 号 。 调 幅度 差 指 的 是 9 H 0 z和 10Hz 弦 波调 幅度 之 差 的百 分 比 . 位 用 5 正 单
DD 表示 。 M
ALE W R
RD I T0 N
设 m 为调 幅度 、 幅度 差 精 度 按 00 1 D 计 算 。 调 .0 D M 对 航 向 则有 :
The Ha d r nd S fwa e De i n o r wa e a o t r sg fADC y t m s d o P n S s e Ba e n DS a d AD9 4 7
[ src]h f aeadh d aem toso hg —cuay l— hn e A C ss m i peetdB s gteHP f MS 2VC 4 2 Abta tT es t r n a w r ehd f ih acrc. t can l D yt rsne .yu i I 30 5 0 ow r a mu i e s n h oT
的飓 风 系列 cc n yl e可 编程 门 阵列 芯 片 和 A 公 司的 A 8 7D/ 转 换 器) 实现 了信 号发 生 器 的设 计 , 针 对 工 程 设 计 容 易 出现 的 问题 , 出 o D D74 ( A , 并 给 了解决 的 思路 。

基于FPGA的DDS信号发生器的设计——开题报告

基于FPGA的DDS信号发生器的设计——开题报告

毕业设计(论文)材料之二(2)

本科毕业设计(论文)开题报告题目:基于FPGA的DDS信号发生器的设计

课题类型:设计□√实验研究□论文□

学生姓名: XXX

学号: 0000000000

专业班级: XXXX

学院:电气工程学院

指导教师: XX

开题时间: 201X年X月X日

201X年 X月X 日

一、毕业设计(论文)内容及研究意义(价值)

本问设计基于FPGA的DDS的信号发生器,主要满足一下几个要求:

1.通过编程产生正弦波、方波、三角波信号基波;

2.有足够宽的频率;

3.输出的信号电压能在一定范围内调节;

研究意义

信号发生器是一种常用的信号源,它是一种为电子测量和计量工作提供信号的设备,信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在部队技术保障中,都有着广泛的使用。在测试、研究、调整电子电路及设备时,为测定电路的一些电参量,如测量频率响应、噪声系数,为电压表定度等提供符合所定技术条件的电信号,以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。随着科学技术的发展和测量技术的进步经济的发展,对信号源的要求越来越高,传统的信号发生器大多采用专用芯片或单片机或模拟电路,成本高、控制方式不灵活,已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需要。但近几年随着FPGA和DDS 技术的快速发展和广泛应用,它具有频率分辨率极高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻、有效的降低成本等优点。其在信号发生器上的应用得到了很好的认同,很好的解决了有传统信号发生器带来的一些问题,信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类,因此开基于FPGA的DDS发信号发生器具有重大意义。

函数信号发生器自动校准软件的研发的开题报告

函数信号发生器自动校准软件的研发的开题报告

函数信号发生器自动校准软件的研发的开题报告

一、研究背景

函数信号发生器广泛应用于电子测量仪器、电子设备研发及生产等

多个领域。为保证函数信号发生器的精度和稳定性,需要进行定期的自

动校准。传统的自动校准方法需要手动调整多个参数,效率低下且容易

出现误差。因此,研发一种基于软件的自动校准方法就显得尤为重要。

本文旨在探究一种函数信号发生器自动校准软件的研发方法。

二、研究目的

本研究旨在研发一种函数信号发生器自动校准软件,实现对函数信

号发生器的自动校准,提高校准效率和精度,并减少误差率。具体研究

目标如下:

1. 设计合理的软件界面及编程框架,实现对函数信号发生器的自动

校准。

2. 针对不同型号的函数信号发生器,设计相应的自动校准流程。

3. 对多个参量进行检测和校准,提高校准的精度。

4. 针对自动校准中出现的问题和错误,编写相应的异常处理程序。

三、研究内容

本研究的主要内容包括以下三部分:

1. 界面设计和编程框架的设计:通过界面设计和编程框架的设计,

实现对函数信号发生器自动校准软件的基本功能的编写和实现。

2. 多参量检测和校准流程的设计:针对不同型号的函数信号发生器,设计相应的多参量检测和校准流程,确保对函数信号发生器的各项参数

都进行准确的自动校准。

3. 异常处理程序的编写:针对在自动校准过程中可能出现的各种问

题和错误,编写相应的异常处理程序,保证软件的免疫性和鲁棒性。

四、研究方法

本研究采用以下方法:

1. 调研法:调研和分析现有函数信号发生器自动校准工具的优缺点,判断其适用性及可行性。

2. 设计法:设计合适的软件界面、编程框架和自动校准流程,确保

基于FPGA的数字量信号源设计开题报告

基于FPGA的数字量信号源设计开题报告

中北大学

毕业设计开题报告

学生姓名:学号:

学院、系:

专业:微电子学

设计题目:基于FPGA的数字量信号源设计指导教师:

2008 年 11月 10日

毕业设计开题报告

毕业设计开题报告

图2.1 系统工作原理图

本课题研究的系统包括计算机、USB数据接口,FIFO缓冲模块,存储器模块,

毕业设计开题报告

基于FPGA的信号发生器设计

基于FPGA的信号发生器设计

基于FPGA的信号发生器设计

 以FPGA 芯片为载体,通过QuartusII 的LPM_ROM 模块和VHDL 语言为核心设计一个多功能信号发生器,根据输入信号的选择可以输出递增锯齿波、递减锯齿波、三角波、阶梯波和方波等5 种信号,通过QuartusII 软件进行波形仿真、定时分析,仿真正确后,利用实验板提供的资源,下载到芯片中实现预定功能。

信号发生器又称为波形发生器,是一种常用的信号源,广泛应用于电子电路、通信、控制和教学实验等领域。它是科研及工程实践中最重要的仪器之一,以往多用硬件组成,系统结构比较复杂,可维护性和可操作性不佳。随着计算机技术的发展,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 或CPLD 来实现,它的优点是可以进行功能仿真,而且FPGA 和CPLD 的片内资源丰富,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,用相应的上层软件展示波形信号,又方便程序的编写,而且还有A/D0809接口可以产生模拟信号的输出和外面的示波器相连。

1 正弦信号发生器的LPM 定制

正弦信号发生器由计数器或地址发生器(6 位)、正弦信号数据ROM (6 位地址线,8 位数据线,含有64 个8 位数据,一个周期)、原理图顶层设计和8 位D/A (实验中用DAC0832 代替)。

其框图如图1 所示。其中信号产生模块将产生所需的各种信号,这些信号的产生可以有多种方式,如用计数器直接产生信号输出,或者用计数

器产生存储器的地址,在存储器中存放信号输出的数据。信号发生器的控制

毕业设计181基于FPGA的函数发生器--论文

毕业设计181基于FPGA的函数发生器--论文

目录

摘要 (1)

第一章概述 (1)

第二章EDA技术 (1)

2.1 EDA的论述 (1)

2.2 EDA的开发流程 (2)

2.3 EDA的开发工具 (4)

第三章控制系统的硬件结构设计 (4)

3.1函数信号发生器系统的原理 (5)

3.2函数信号发生器的硬件结构 (5)

第四章控制系统的软件设计 (7)

4.1函数信号发生器软件设计 (7)

4.2函数信号发生器功能模块的设计 (8)

4.3函数信号发生器顶层设计 (17)

第五章控制系统的调试与运行 (18)

5.1函数信号发生器的调试 (18)

5.2下载设计到目标器中运行 (22)

第六章结束语 (24)

参考文献 (24)

致谢 (24)

摘要:应用EDA技术完成一个电子产品的设计, 以 FPGA芯片中集成一个在电子生产或检测中通常用到函数信号发生器。在QUARTUSⅡ软件开发平台,输入原理图或硬件描述语言HDL完成的设计文件,系统将自动地完成逻辑编译、综合、仿真、目标芯片的适配编译、下载等的工作。设计的工作是利用编程的方式来进行对系统的功能的描述,在EDA工具的帮助下,应用相应的可编程器件,实现设计的最终结果。使常用到的函数信号发生器微型化,设计简单化,使用简单化。

关键词: FPGA芯片EDA技术QUARTUSⅡ

第一章概述

概述EDA(electronic design automation,电子设计自动化)技术是现代电子工程领域的一门新技术。它提供了基于计算机和信息技术的电路系统设计方法。EDA技术的发展和推广应用极大地推动了电子工业的发展,随着EDA技术的发展,硬件电子电路的设计几乎全部可以依靠计算机来完成。这样就大大缩短了硬件电子电路设计的周期从而使制造商可以快速开发出品种多批量小的产品,以满足市的众多需求。EDA技术的推广是当今世界的一个技术热点。EDA技术是现代电子工业中不可缺少的一项技术。

基于FPGA的信号发生器的设计

基于FPGA的信号发生器的设计

收稿 日期 :0 - 6 1 21 0— 9 1
作者简介 : 武晓栋( 9 7 ) 男, 18 一 , 山西忻 州人 , 在读硕 士研 究生, 究方向 : 态测试 与智能仪 器。 研 动

l ・ 91
第 6 ( 第 14 ) 期 总 2期
机 械 管 理 开 发
2 1年 1 月 01 2
31 信 号 发 生器设 计 F G . P A内部 的整 体结 构
设 计 采 用 自上 而 下 的切 割 重组 设 计 方 法 。利 用
F G P C Q 4 C 构成的信号发生 器的基本框图 , P AE 1 6 20 8
见图 3
根据本设计的整体结构 , 结合设计 目 和要求 , 标 本 设计的系统工作原理 , 图 1 见 和图 2 。
第6 ( 期 总第 14 ) 2期
No6( UM .2 . S No1 4)
机 械 管 理 开 发
MECHANI CAL MANAGE MEN AND DE T VEI ME OP NT
2 1年 I 0 1 2月
De .0l c2 1
基于 F G P A的信号发生器的设计
供初值 , 供下一个模块 F N A A分频时用 , 通过不 同的初 值, 在波形产生模块得到不同的工作频率 , 从而实现调 节波形频率 的目的。送不 同的初值 , 由输入 a 是 决定 的 ,位适量相应 4 2 种不同频率。

基于FPGA的DDS信号发生器设计

基于FPGA的DDS信号发生器设计

课程设计任务书

2012~2013学年第1学期

一、课程设计题目:基于FPGA的DDS信号发生器设计

二、课程设计内容(含技术指标)

①利用DDS技术产生稳定的正弦波、方波和三角波,输出频率为

1Hz~200KHz,且频率可调,步进为1Hz、100Hz、1KHz和10KHz,峰值为0~5V;

②显示电路用来显示输出信号的参数;

③4×4键盘用来设定频率、步进、清零、确认等功能;

④用Verilog HDL进行建模和模拟仿真,再利用FPGA进行实现。

三、进度安排

四、基本要求

1.基本功能:利用DDS技术产生稳定的正弦波、方波和三角波,用数码管显示频率。

2.扩展功能:能产生ASK、FSK和PSK等调制信号,输出用12864液晶显示信号的波形、频率和幅度。

3.写出设计报告:不少于5000字,统一复印封面并用A4纸写出报告。

○1封面、课程设计任务书

○2摘要,关键词(中英文)

○3方案选择,方案论证

○4系统功能及原理。(系统组成框图、电路原理图)

○5各模块的功能,原理,器件选择

○6结果分析

○7设计小结

○8附录---参考文献

2012年9 月1日

摘要

波形发生器己成为现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一,代表了波形发生器的发展方向。随着科技的发展,对波形发生器各方面的要求越来越高。近年来,直接数字频率合成器(DDS)由于其具有频率分辨率高、频率变换速度快、相位可连续变化等特点,在数字通信系统中已被广泛采用而成为现代频率合成技术中的佼佼者。

本次设计的是多功能信号发生器,它能够产生方波,三角波,锯齿波和正弦波四种基本波形。结合DDS技术,通过对FPGA的编程实现产生多种波,本电路是通过键盘扫描判断,进入相应的功能程序,然后实现频率调节,波形转换,幅度控制的。本次设计中我负责的是波形输出模块,通过调节要输出方波,三角波,锯齿波和正弦波四种基本波形。

基于FPGA的信号发生器设计

基于FPGA的信号发生器设计
s a wt o o t h wa v e . T hr o ug h t h e h a r d wa r e t e s t ,t he r e s u l t s s h o w t ha t t h e l o a d c a p a c i t y i s s t r o n g, t h e p r e c i s i o n o f t h e s y s t e m i s h i g h, t h e o p e r a t i o n i s s t a b l e, a n d c a n r e a l i z e t h e s i g n a l p e a k d e t e c t i o n f un c t i o n. Ke y wo r d s: d i r e c t d i g i t a l f r e q u e n c y s y n t he s i s; s i g na l g e n e r a t o r ; pe a k d e t e c t o r
De s i g n o f S i g n a l Ge ne r a t o r Ba s e d o n FPGA
XU J i a n , L I U Xi a o - y u ( 1 . S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d E n g i n e e r i n g , H u b e i U n i v e r s i t y f o r N a t i o n l a i t i e s , E n s h i 4 4 5 0 0 0 , C h i n a ; 2 . 0 i l P r o d u c t i o n T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e , J i a n g h a n O i l f i e l d , Q i a n j i a n g 4 3 3 1 2 3 , C h i n a )

基于FPGA的函数信号发生器设计

基于FPGA的函数信号发生器设计

基于FPGA的函数信号发生器设计

函数信号发生器是一种能够产生不同类型信号的测试设备,通常在电

子电路实验中使用。基于FPGA的函数信号发生器设计利用可编程逻辑器

件FPGA,可以实现更高的灵活性和可定制性,同时减少了硬件开发成本。本文将详细介绍基于FPGA的函数信号发生器的设计原理、主要模块和实

现方法。

一、设计原理

二、主要模块

1.时钟生成器模块:时钟信号是产生各种信号波形的基础,因此需要

设计一个时钟生成器模块来产生稳定的时钟信号。可以使用FPGA内部的

锁相环(PLL)或计数器来实现。

2.波形选择模块:为了产生不同类型的信号波形,需要设计一个波形

选择模块。通过该模块,用户可以选择所需的信号波形,如正弦波、方波、三角波等。

3. 波形生成模块:根据用户的选择,使用FPGA内部的逻辑门电路来

实现不同类型的信号波形的生成。可以利用查找表(Look-Up Table,简

称LUT)来存储不同波形的采样点数据,并通过控制逻辑将这些数据输出

为相应的信号波形。

4.频率控制模块:通过频率控制模块,可以对信号波形的频率进行控制。可以根据用户的输入,通过改变时钟信号的频率或改变波形采样点的

间隔来实现频率的调节。

5.幅值控制模块:通过幅值控制模块,可以对信号波形的幅值进行控制。可以通过改变逻辑门的阈值电压或者改变DAC(数字模拟转换器)的

输出电平来实现幅值的调节。

三、实现方法

2.硬件设计:根据设计需求,选择合适的FPGA芯片、外部时钟源、

AD/DA转换器等外部器件。根据电路原理图,进行相应的电路布局和连线。在确认电路无误后,进行焊接和组装工作。

基于FPGA的DDFS函数信号发生器设计

基于FPGA的DDFS函数信号发生器设计
滤 波 电路 也能 正常 滤 波 , 通 过 示 波器 进 行 观测 , 输 出的波 形 此系统中, 且不会增加系统的开销, 非常灵活多变 , 这在进
都能够按照按键输入选择的模式、 频率和幅度来输 出。 部分 行教学研究时具有很大的实用价值 。
[ 参 考 文献 】
[ 1 】 韩叶祥, 朱兆优 , 张斌. 基于MAx 0 3 8 的程控函数信号发 生器的设计 [ J ] . 电子元器件应用, 2 0 0 8 ( 5 ) : 2 2 — 2 5 [ 2 ] 郝小江, 罗 彪. 基于F P GA的函数信号发器 电测与仪 表 , 2 0 0 8 ( 5 ) : 4 9 — 5 1 . [ 3 】 易宏, 杜 志明, 吴国辉 , 等 基于F P GA的函数信号发生器设计【 J 】 l 电气电子教学学报 , 2 0 0 9( 6 ) : 3 5 — 3 7 .
( Di r e c t Di g i t a l F r e q u e n c y S y n t h e s i s , DDF S ) 技术 , 辅助 以







j … ! …
, I f

— f 上
…: 广 ‘ = 。
I r f
结 语 D A c 和滤波放大模块共 同实现。 D A C 器件使用的是D A 公司 3 的D A0 8 3 2 , 由于D A 0 8 3 2 为 电流输 出型的转换 器, 因此要获 本设计采用 了F P G A来实现DD F S 算法 , 配以I NT E L 的 得模拟电压输 出时, 需接外加转换 电路, 本设计 中采 用运放 单片 机8 9 C 5 2 来 作为 设 计 的 控制 核 心 , 并 配 合L C D 和 按 键 完

多功能函数信号发生器-开题报告

多功能函数信号发生器-开题报告

一、研究目的与意义

研究目的与意义:

函数信号发生器是信号源的一种,主要给被测电路提供需要的已知信号,然后同其他仪表测量感兴趣的参数。它不是测量电路,而是根据使用者的要求作为激励源,仿真各种测量信号,提供给被测电路,以满足测量或各种实际需要。

目前我国在研究信号发生器方面有可喜的成就。但总的来说,我国信号发生器没有形成真正的产业。中国函数发生器产业发展中出现的问题中,如产业结果不合理、产业集中于劳动力密集型产品;技术密集型产品明显落后于发达工业国家;生产要素决定性作用正在削弱;产业能量消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大;企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。就目前国内的成熟产品来看,核心部分存在成本高、控制不方便、创新能力小等缺点,因此和国外相比技术存在比较大的差距,所以开发出高性价比的函数发生器,从而与国外技术有所比拼,并且打破国外技术垄断,对目前我国发展中的电子业来说,是具有刻不容缓的作用的。

随着电子技术的发展,电路测试对信号发生器的要求已经越来越高。除生成标准波形如正弦波、方波、三角波、脉冲波之外,信号发生器还要用于模拟输出一些不规则信号,以生成“实际环境”信号,包括在被测设备离开实验室或车间时可能遇到的毛刺、漂移、噪声和其它异常事件等。所有这些都要求信号发生器输出信号的参数如频率、波形、输出电压或功率等,能够在一定范围内进行更加精确的调整,并拥有更好的稳定性及输出指示。

目前市场上常见的信号发生器,按照价格与适用性大致可以分成高、中、低端,但由于品牌、型号冗繁,使用者在采购过程中面临很大难题。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
随着数字集成电路和微电子技术的发展,现代的函数发生器尽可能多的采用直接数字频 率合成(DDS)的方法产生所需耍的波形。直接数字频率合成是曲J. Tierney和C. M. Rader于1971年提出的技术,英主要优点是它的输出频率、柑位和幅度能够在数字处理器的控制下 精确而快速地变换,并口相位变化连续,易于集成和调整。采用DDS技术的函数信号发生器山 于灵活而成为软件无线电理想的信号发生器,\hiRM來处理信号的数字电路不会因为热飘 移、老化和元件的变化而受影响,支持快速频率切换,是函数信号发生器发展的方向。基于DDS的函数发生器现在不仅可以执行函数发生器的功能,还可以执行任意函数发生器(Arbitrary Function Generator)的功能,这将给传统测试方案带来一次革命。
锁相涪号发生器是山调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号频率的信号发生器。这种 信号发生器频率精度和稳沱度高,但快速切换频率比较困难,同时输出信号的频率分辨率较 差。合成信号发生器曲用三种方法进行频率的合成。第一•种为直接频率合成,是利用单个或 多个不同频率的晶体管振荡器作为基准信号源,经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多 离散频率的输出信号。第二种是锁相频率合成器,是基于锁相环的同步原理,山数字鉴相器、 分频器加模拟环路滤波和圧控振荡器间接产生所需频率输出的一种技术。第三种为冇接数字 频率合成技术,是i种基于全数字技术,从相位概念出发直接合成所需波形的一-种频率合成 技术,不仅可以产生不同频率的正弦波,ifuKW以控制波形的初始相位,并能以此方法产生任 意波形。
•输出:输出端。
下面详细介绍频率合成模块设计
频率合成模块包含三个基本模块:相位累加模块、波形发生模块和波形选择模块
i.相位累加模块
相位累加模块山一-个带异步清零的32位加法器和一•个32位的D触发器级联而成。加法 器的偷入数据位数均为32位,在每个系统吋钟的上升沿到来后,加法器模块将频率控制字与 累加器内的数据相加,将得到的结果反馈到相位累加器的偷入端,作为下次相加的输入,如果 在相加过程中异步清零端口有效的话,累加器的偷出值将为零。
随着电子技术的不断发展与进步,现代的电子测量、通信系统越来越需耍有高精度和灵 活的信号发生器进行测量和调试。原有的信号发生器的性能C经难以满足现在的耍求,现在 不仅要求能产生标准的波形,I何口要求函数发d器的输出波形质量好,输出频率范围宽,频率 转换速度快并U频率转换吋波形的相位需要连续。为了适应现代电子技术的发展和市场要求, 研究制作高性能的函数信号发生器则具有重大的意义。
在当前数字领域中,大多数新型函数发生器止釆用DDS这一种新技术,如美国的Anient、Tektronix、Keithley,述有台湾的固纬等都在积极采用这一技术制造新式的函数 信号发生器。例ill Agilent的33220A,它能产生17种波形,最高频率可达到20MIIZ,分辨率为1u Hz,并且能够通过USB、LAN和GPTB进行配置,波形形成的操作性很好。目前我国研制的 函数信号发生器取得了一定的成果,但总的來说,我国函数信号发生器还没有形成真止的产 业,并且研制的函数信号发生器的性能和国外器件相比较而言性能差距述比较大。就目前国 内的成熟产品来看很少,并且我国目前在函数信号发生器的种类和性能都与国外同类产品存 在较大的差距,因此加紧对这类产品的研制是十分必要的。
电路设计与输入是利用EDA工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本方式 (如VIIDL程序)或图形方式(原理图、状态图)表达出来。完成设计描述后即可通过编译器进 行排错编译,变成特定的文本格式,为下一步的综合做准备。编译完成后,在综合前即可对所 描述的内容进行功能仿真。功能仿真仅对设计描述的逻辑功能进行测试模拟,以了解其实现 的功能是否满足原设计的要求,仿真过程不涉及具体器件的硬件特性。
FPGA具备一下特点:
i.釆用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路),用八不需要投片生产,就能得到合用的芯片。i.FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
iii.FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
iv.FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
v.FPGA采用高速CMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
取样点数
256
16384
16777216
4294967296
图3相位一幅度转换图
ill.数模转换器DAC
数模转换器的作用是将波形存储器输出的幅度序列转换成为电平输出。山于DAC转换速 率的影响,输出信号并不能真止地连续可变,而是阶梯状的模拟信号。山于DAC的性能有接影 响了DDS的输出频谱,所以选择良好的DAC必须考虑儿个主要原则:位分辨率、变换精度和速 度、编码方法、最大参考时钟频率等等。
基于
一、课题来源、目的、意义
函数信号发生器是广泛应用于系统检测调试、自动测昴控制和教学实验等领域的多波形 信号源,它可以产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形,山于其输出的波形均可用数 学函数描述,故命名为函数信号发生器。函数信号发生器在工业生产、产晶开发、科学硏究 等实验测试中起着十分重要的作用,除供通信、仪表和自动控制系统测试用外,还广泛用于生 物医学等各个领域的测试
设计开发的最后步骤就是在线调试或者将产生的配直文件通过编程器或下载电缆 写到目标芯片中。
2.
如图5所示:
•按键输入:波形选择、频率控制、幅度控制、相位控制。
•Basys2 FPGA:生成要求的波形。
•DAC:数模转换器,完成数字信号到模拟信号的转换。
•低通滤波器:过滤高频信号,使输出波形更光滑。
•后级放大电路:看输出信号情况,如需要,则对信号进行放大。
虽然现在各大芯片制造商都推出了采用先进CMOS工艺生产的高性能专用直接数字频率 合成(DDS)芯片,为电路设计者提供了多种选择,但专用的DDS芯片的局限性在于其价格昂贵, 不易扩展。目前,大规模可编程逻辑器件(PLD)得到越来越广泛的应用,其强大的功能也逐步 从各种器件中显露出來。如今的可编程器件在其白身功能愈加强大的同时,更使系统趋于小 型化,高集成度和高可靠性。与此同时,器件所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特 性,使得系统设计周期大大缩短,降低了设计费用和设计风险,极大的提高了电子系统设计的 灵活性和通用性。其中现场可编程门阵列(FPGA)编程灵活!应用范围广,而口逻辑功能较复杂 的小型系统可以在一•片FPGA屮实现。山于FPGA实现DDS技术在一些方面存在着DDS芯片不 能取代的优势,并H可以实现多个DDS芯片的功能,除了能满足用户对特殊功能的要求外,还 可以在器件选择上有更大的选择余地,所以本文提出基于FPGA实现采用直接数字频率合成 技术实现可编程函数信号发生器的实现方案,并给出了详细的设计方法。
幅度调制
图1DDS原理框图
DDS的工作过程为:频率控制字在每个时钟周期累加一次,得到的柑位值被送到ROM中対 其进行查农,ROM将相位值转换为与Z对应的幅度值,该数字化的幅度值序列经数模转换和 低通滤波后得到所需的输出频率。
DDS主要山相位累加器、波形存储器、数模转换器DAC以及低通滤波器LPF组成。
二、国内外基本研究情况
函数信号发生器按工作原理可分为:调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生 器。
早期的调谐信号发生器采用的是模拟电子技术,山调谐振荡器和调幅放大器加上一•些指 示电路构成,仅能产生止弦波、三角波、方波等儿种简甲的波形,其电路结构复杂、尺寸大且 功耗大,并且频率不高,曲于模拟电路温漂大血使得其波形稳定性差,且难以产生精准的频率 信号,不易调试。
三、预计达到目标
掌握采用可编程逻辑器件实现数字电路与系统的方法,熟悉并掌握采用X订inx_ISE软 件开发可编程器件的过程,利用Xilinx公司的Spartan-3E FPGA芯片设计一个函数信号发 生器°能输出止弦波、矩形波、三角波、锯齿波等。输出信号的频率、幅度等均可调°
四、关键理论和技术
1.
FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用 集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路血出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原 有可编程器件门电路数有限的缺点。
可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA是宙存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工 作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程尢须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM.PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的 电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。
iv・低通滤波器
低通滤波器是对DAC转换器输出的模拟阶梯信号进行平滑处理,并滤除英中的高 频分量,形成平滑的波形输出。
五、完成课题的方案及主要措施
1.
一般來说,完整的FPGA设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合优化、综合后仿 真、布局布线、布局布线后仿真、板级仿真与验证、加载配置与在线调试等主要步骤,如图4所示。
i.相位累加器
相位累加器是用来实现线性数字信号的逐级累加,并且存储其累加结果。如图2所示,累加器山加法器和相位寄存器级联构成。
图2相位累加器结构
iຫໍສະໝຸດ Baidu・波形存储器
波形存储器用来存储量化后的波形数据,实现了信号从相位序列到幅度序列的转化。在 每个吋钟周期内,用相位累加器输出的序列作为波形存储器収样地址进行波形的相位一幅度 转换,则可在给定的时间上输出波形的抽样幅值。以止弦波为例,寻址深度为W个字的波形存 储器相当于将一个完整周期[0,2n]的止弦波离散成2*个相位序列,输出数据位宽度为D位 的幅度值则决定了量化的精度,因此波形存储器的容量则为2了xD比特,如图3所示,波形中 的每个采样点对应相位圆上的一个相位点。
综合优化是指将HDL语言、原理图等设计输入翻译成山与门、或门、非门、RAM、触发 器等基本逻辑单元组成的逻辑连接(网表),并根据目标与约束条件优化所生成的逻辑连接, 输出标准格式的网表文件,供布局布线器实现°
加载配置与在线调试
图4FPGA设计流程
综合后仿真的主要目的是检杳综合器的综合结果是否与设计输入一致,但并不精确,只能 估计门延时。布局布线是根据FPGA厂商提供的软件工具,根据所选芯片的型号,将综合输出 的逻辑网农适配到具休的FPGA器件上,合理止确连接各个元件。布局布线后就进行时序仿真, 这种仿真可以全面检查门延时和线延时的信息,还可以检杏设计中是否有竞争与冒险。山于 不同器件的内部延时不一样,不同的布局方案也给时延造成不同的影响,因此在设计处理完 成后,对系统冬个模块进行吋序仿真,分析其吋序关系,估计设计的性能,以及检查和消除竞 争冒险是非常有必要的。与前面的仿真相比,这种仿真包含的吋延信息垠为全面、准确,能较 好地反映芯片的实际工作情况⑶。
本课题的意义在于将FPGA可编程的特性与直接数字频率合成(DDS)技术精确和快速的 特性有机地结合起來,既实现了函数信号发生器的灵活配置,减小体积,有效地降低开发的成 本,又町以实现函数信号发生器的输出频率、相位和幅度在数字处理器的控制下精确而快速 地变换。在我国,高精度的标准信号源产品较少并口产品落后,可靠性较差,并口研究起步较 晚,与国外发达国家比较水平差距比较大,所以现在研究基于直接数字频率合成技术与FPGA相结合的函数发生器并II研制出相关的产品将对我国国防、科研、教育起到深远的意义°
2.
DDS是从相位概念出发,山不同的相位给出不同的电压幅度,最后滤波、平滑输出所需要 的频率,其实质就是利用采样定理以参考频率源对相位进行等可控间隔采样。DDS-般山四 部分纽•成:相位累加器(PA)、相位一-幅度转换表(ROM)、数字一模拟转换器(DAC)以及低通滤 波器(LPF) o其工作原理框图如图1所示。
相关文档
最新文档