基于FPGA的任意波形发生器设计与实现
基于FPGA的任意信号发生器设计
Design of arbitrary signal generator based on FPGA
Xu Minghui （College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology，610059）
Abstract ：Arbitrary waveform signal generator plays a great role in the design of modern electronic products,is a kind of development in the digital signal technology,the continuous development of large scale integrated circuit technology in a new measurement tool.To meet the requirements of the special signal,but also can simulate the actual life of a variety of signals,to help us to measure the signal.In this paper,we will use the DDS principle to implement any signal generator based on FPGA. Keywords ：direct frequency synthesis (DDS);programmable gate array (FPGA);D/A
2016.22
设计与研发
基于 FPGA 的任意信号发生器设计
基于FPGA实现的任意波形发生器的设计与研究
ａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆ ｓｍ ｌ ｐ ｒ ｔ ｏ ｎ ｉｈ ｄ ｇ ｅ ｆ ｉｔ ｇ ａ ｉｎ ｃ ａ ａ ｔｒ ｓ ｉ ｓｂ ｔ ａ ｓ ａ ｄ ｕ ｔ ｂ ｅ ｆ ｅｕ ｎ ｙ ｄ ａ ｔ ｇ ｓｏ ｉｐ ｅ ｏ ｅ ａ ｉｎ ａ ｄ ｈ ｇ ｅ ｒ ｅ ｏ ｎ ｅ ｒ ｔ ｏ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｃ ｕ ｌｏ ｈ ｓａ ｊ ｓａ ｌ ｒ ｑ ｅ ｃ
本文的重点 。Ｄ Ｓ 电路工作 时首先对 需要的波形进行采样， Ｄ
将 采样数值存入波形存储器作 为查 找表 ，然 后再通过查找表 将 数据 读 出来 ，经过 Ｄ Ａ转换器转化成模拟信 号，并通过低 ／ 通 滤波器将 Ｄ Ｃ 转换器输 出的阶梯波 转换成光 滑的连续 信 Ａ
号 。Ｄ Ｓ电路 的基 本 结 构 一 般 包 括 以下 几 部 分 ：相 位 累 加 器 、 Ｄ
３ 基于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的 Ｄ Ｓ电路的实现 Ｄ
３ １ＤＤ 的 结构 ． Ｓ
境下的时序约束分析工具分析可知， 采用此结构 的 ３ 位相位 ２ 累加器的数据累加延时 比普通结构的进位 累加器 的数据延 时 减小 了一倍，提高 了 Ｄ Ｓ的相位 累加速度 。 Ｄ
Ｄ Ｓ 电路 的实现 是整个硬件 系统设计的关键所在，也是 Ｄ
设计 。
２１ 硬件设计方案 ．
在任 意波形发 生器 的组成部分 中，硬件系统是整个系统 的核心。它包括波形 生成 电路 ，处理器 、存储器、接 口控制 模块、波 形选择 电路以及系统硬件控制模块等 电路 ，其它模
块通过相关接 口与其连接 ，构成 了一个完整 的硬件系统 。
２ 硬件
基于 Ｄ Ｓ技术实现波形发生器 的方法主要有 以下两种 ： Ｄ
３ ２ １ 相 位 累 加 器 的 设 计 ．．
基于FPGA的任意波形发生器设计
典型的模拟滤波器有巴特沃斯 (Butterworth) 滤波器、切比雪夫 (Chcbyshcv) 滤波器、贝塞尔(Scsscl) 滤波器和椭I 圜(Ellipsc) 滤波器。
这几种低通滤波器都有各自的幅频特性。通带与阻带之间称为过渡带，过渡 带越窄，说明滤波器的选择性越好。巴特沃斯滤波器的响应最为平坦，它的 通带内没有波纹，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大， 缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱，过 渡带不够陡峭。切比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个土限值之间做等 起伏变化，阻带内衰减单调增大，通带或组带有波动，但过渡带比较陡峭。 贝塞尔滤波器通带内有较好的线性相位持性。椭圆函数滤波器不仅通带内有 起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。
? 单片机主要完成以下三个方向的任务：
(1) 根据键盘设置的波形和频率，完成波形的选择、编辑，并产生相应的 频率控制字送FPGA 。
(2) 将输出信号的频率送数码管显示。
(3) 与USB 接口芯片实现USB 接口电路并与上位PC 机通信。
主要要完成的工作：
? 1）基于FPGA 的DDS 实现 首先熟悉Quartus II 开发环境，其次对确定FPGA
工艺，无需另行架构，波形稳定度与准确度都比较高，有 理想的波形质量。但是，专用的DDS 芯片的数据表都已 经固化在芯片里，因此对于不同的应用其灵活性相对较， 无法灵活的实现任意波形的输出，同时DDS 芯片加单片 机的设计模式使硬件电路相对复杂。
基于DDS技术选择的实施方案
? 方案二： 基于FPGA 实现DDS 功能，通过单片机实现控制。此方 案的核心在于FPGA 的设计实现逻辑功能，通过对存储器 查表后输出信号，由相连接的数模转换器转换为要求的波 形。单片机作为控制器，易于控制与调试。
基于FPGA的任意波形发生器设计
基于FPGA的任意波形发生器设计与研究摘要：在此基于DDS技术进行任意波形发生器的研制。
以单片机为控制核心，采用FPGA芯片EP1C3T144C8，通过使用相位累加器和波形ROM等模块实现DDS功能，可产生正弦波、方波、三角渡与锯齿波等常规波形，而且能够产生任意波形，并通过键盘一一对应波形，从而满足研究的需要。
最后给出系统产生的测试数据，并对影响频谱纯度的杂散与噪声产生的原因进行分析。
关键词：FPGA；DDS；任意波形发生器；杂散引言任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator，AWG)是一种多波型的信号发生器，它不仅能产生正弦波、指数波等常规波形，也可以表现出载波调制的多样化，如：产生调频、调幅、调相和脉冲调制等。
更可以通过计算机软件实现波形的编辑，从而生成用户所需要的各种任意波形。
任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA输出、可变时钟计数器寻址和直接数字频率合成(DDS)等多种方式。
目前任意波形发生器的研制主要基于DDS 技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在通信、测量与电子仪器领域，是设备全数字化的一个关键技术。
1 任意波形发生器的理论分析1．1 DDS技术简介DDS(Direct Digital Synthesis)的概念由美国学者J．Tierney、C．M．Rader和B．Gold 在1971年提出。
该技术是从相位的概念进行频率合成，主要优点是输出相位连续、相对带宽较大、频率分辨率很高、可编程、准确度和稳定度都比较高。
DDS技术是利用查表法来产生波形，而通过修改存储在ROM里的数据，就可以产生任意波形。
1．2 DDS基本结构DDS主要有相位累加器、ROM波形查询表、数模转换器组成。
其基本框图如图1所示。
线性数字信号通过相位累加器逐级实现，波形函数存储在ROM中，根据累加器输出的相位值作为地址，寻找存储在ROM中的波形函数的幅度量化值，完成相位到幅值的转换，输出相对应的序列。
FPGA实现的任意波形发生器的设计
FPGA实现的任意波形发生器的设计波形发生器广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本也是应用最为广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。
随着通信、雷达的不断发展，对信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数以及信号波形的形状也提出越来越多的要求。
不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。
可见，研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。
1 任意波形发生器的FPGA 实现系统框架如图1 所示，上位机产生任意波形数据，经USB2．0 控制器CY7C68013A 与FPGA(现场可编程门阵列)相连。
将数据下载到FPGA 的RAM 当中，再通过硬件电路依次从波形存储器中读取出来，经D／A 转换及滤波后得到所需信号波形输出。
关于DDS 的基本原理与结构在这里就不再加以阐述，用FPGA 按照DDS 的基本原理和结构设计和实现一个任意波形发生器，所以DDS 的几个基本部分都是应当具备的。
实现任意波形发生的关键在于把存放波形量化表的ROM换成了可以改写的RAM，这样通过与RAM 的接口可以改变存放在波形RAM 中的数据从而实现任意波形发生。
这里主要介绍控制部分、相位累加器、波形RAM 几个模块来叙述任意波形发生器的实现。
1．1 控制部分这个部分主要是要解决DDS 模块与单片机的接口问题。
在FPGA 的实现中，主要设计了2 个模块，一个是输入寄存器模块，为了接收单片机写入的频率控制字。
另外一。
基于fpga的任意波形发生器的设计与实现
基于fpga的任意波形发生器的设计与实现
一、设计概述
本设计的主要目的是利用FPGA（可编程逻辑器件）来实现一个任意波形发生器，可以产生任意的波形，用于模拟信号的测试和测量。
本设计利用FPGA的自定义功能，根据用户输入的参数，设计一个可以产生任意波形的发生器，并将其实现在一个硬件系统中。
二、系统架构
本系统的架构主要由以下几个部分组成：
（1）输入模块：用户输入的参数由输入模块接收，并将其转换为FPGA可识别的数据格式。
（2）FPGA模块：FPGA模块将用户输入的参数转换为可以产生任意波形的算法，并将其实现在FPGA的芯片上。
（3）输出模块：输出模块将FPGA模块产生的波形输出到外部设备，以便进行测试和测量。
三、设计实现
（1）输入模块：输入模块负责接收用户输入的参数，包括波形类型、频率、相位等，并将其转换为FPGA可识别的数据格式。
（2）FPGA模块：FPGA模块负责将用户输入的参数转换为可以产生任意波形的算法，并将其实现在FPGA的芯片上。
（3）输出模块：输出模块负责将FPGA模块产生的波形输出到外部设备，以便进行测试和测量。
基于FPGA的任意波形发生器的设计
在其中存储１，１／２，１／４波形的数据。用Ｃ语言程序来计
算信号波形采样点的数值既简单又精确，而且用Ｃ语言可
以很容易地实现各规则信号采样点的计算。故可利用Ｃ
编程实现一个正弦信号，并将该正弦信号的２５６个采样点
的数值精确计算出来，再将这些数据添加到ＲＯＭ表中，
从而实现查表功能。
在系统中用到了８位数据空间，所以写数据的单片机
程序为： ｆｏｒ（ｉ一０；ｉ＜２５６；ｉ＋＋） ｛ｘｂｙｔｅ｛－ｉｌ—ｆｌｏｏｒ（１２５．５＊（１＋ｓｉｎ（２。ｐｉ＊ｉ／２５６）））； ｆｏｒ（ｊ一０，ｊ＜１００００；ｊ＋＋）；
｝
在程序中要注意数字系统是不能用到小于０的数值 的，所以要在生成的所有数值中将所生成的一１到＋１的 值通过加１全部抬到＋１到＋２后，再通过２５６／２来降低 应得到的数值。
１方案选择
产生可变频信号的方法有很多种，利用传统的ＬＣ振 荡电路只要改变其中电感的值，就可以得到不同的频率 值。但是他却存在着一系列缺点，如带宽不足、输出频率 不够准确等，
晶体振荡电路也可以构成反馈振荡器，决定频率的元 件是晶体，通常把晶体振荡器也称为晶振。根据试验显 示，他的频率稳定度可以达到１０叫量级。虽然所担心的频 率输出不稳的问题可以得到很好地解决，但是同时也遇到 了一个难题：晶振一旦制作好，频率就被固定，不可以调
收稿日期：２００７一０６—１１
万方数据
整，但是单一的频率对于产生一种实用的信号来说当然是 不符合要求的。＋
随着电子技术的发展和大规模集成电路制作工艺的 提高，ＤＤＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）技术的出 现无疑提供了一种新的选择。 ２ ＤＤＳ的工作原理
ＤＤＳ的工作原理图如图１所示。
EDA课程设计基于FPGA的任意波形发生器
EDA课程设计__基于FPGA的任意波形发生器学院：通信与电子工程学院摘要本文主要探索了应用FPGA灵活可重复编程和方便在系统重构的特性，以Verilog HDL为设计语言，运用QuarrtusII软件，将硬件功能以软件设计来描述，提高了产品的集成度，缩短开发周期。
所设计的波形发生器可产生正弦波（sina_wave）、锯齿波（swat_wave）、矩形波（squr_wave）、三角波（trig_wave）四种信号，能够实现信号的转换并且频率可调；关键字：任意波形发生器FPGA Verilog HDL QuartusIIAbstractThis paper explored the application of flexible and reprogrammable FPGA and convenience features in the system reconfiguration to Verilog HDL design language, the hardware functions to software design to describe and improve the integration of products and shorten the development cycle. Waveform generator designed to produce sine wave (sina_wave), ramp (swat_wave), rectangular wave (squr_wave), triangular wave (trig_wave) four signals, to achieve signal conversion and frequency adjustable;Keywords: Arbitrary Waveform Generator FPGA Verilog HDL QuartusII目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1概述 (1)1.2任意波形发生器的功能 (1)1.3国外发展现状 (2)第2章波形发生器的基本理论 (4)2.1 FPGA简介 (4)2.2Verilog语言简介 (4)2.2.1 Verilog语言概述 (4)2.2.2VerilogHDL基本结构 (5)2.3QuarrtusII概述 (6)第3章方案设计 (8)3.1 系统介绍 (8)3.2波形发生器各个模块设计 (9)3.2.1 Wave_gen 模块 (9)3.2.2 波形数据存储ROM 模块 (9)第4章波形发生器软件仿真 (11)4.1设计平台及仿真工具 (11)4.2仿真过程 (11)结论 (14)附录 (16)第1章绪论1.1 概述波形发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路，自动控制系统，教学实验等领域，目前使用出现了大量能够产生多种波形且性能稳定的任意波形发生器，但大多数方案都是基于串行或并行总线进行数据的传输，这种方案虽然成本较低，但系统的实时性较差，难以满足复杂波形的大数据量的传输要求。
基于FPGA的任意波形发生器设计探究
Ｖｏ ｌ ＿ ３ ＯＮｏ ． ８
Ａｕ ｇ ．２ ０１ ４
基于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的任意波形 发生器设计探究
徐 宇 宝 ，张 晓 东
（ 皖西 学院 机械 与 电子 工程 学 院 ，安徽 六安 ２ ３ ７ ０ １ ２ ）
摘 要 ：本 文 对 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ 芯 片 实现 的 ＤＤＳ结 构 中数 字部 分 与接 口部 分 进 行 了设 计 ，将 ＲｏＭ 改成
３ ＤＤ￥ 工 作 原 理
Ｄ Ｄ Ｓ工作 原理 如 图一所 示 ．
图 １ 基本 Ｄ Ｄ Ｓ结 构 原 理 图
相位 累 加器 是 Ｄ Ｄ Ｓ技 术 的核 心 ，它 的作用 就
和一个计数器 相似 ， 当一个 时钟信号到来 ， 就可 以
使 相位 累加 器 的输 出得 到增 加 ， 增 加 的是一 个 步长
不 准确 ， 带宽不足等缺点． 还有 一种 方 法 就 是 晶 体
信号的一个周期 的幅度 ． 相位累加器中输 出信号 的 信息可 以从数据表中读出 ， 这种信息是当前相位累 加器输 出信号相位值对应的幅度数据 ， 并将这种数 据通过 Ｄ Ａ Ｃ的转换功能变成模拟信号波形进行输
出 ，相 位 累加 器 通 过 线性 相 位 累 加 的方 式 进 行 叠 加 ，当达到 满量 程 时就 可 以进行 一 次计 数溢 出 ， 输
作速度 ， 我们可以用一种在时序电路设计中常用 的
设计 方 法 ， 就 是 流水 线 结 构法 ， 通过 流水 线结 构 来 实现 的 累加器运 行 过程是 这样 的 ， 现将 一个 位数 很 长 的加法 拆 分成 Ｎ比较 短 的加 法 ，并 在 Ｎ个 时钟 周 期 种流 水 线 结构 后 使 得加 法 器 的字 长 变 的更 短 了， 这对 于 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ提 高其工 作频率 具有 重大 意义 ｌ ５ １ ． 下 面 我 们来 详 细 的对 累加 器 流水 结 构 的 实 现 进 行 分析 ， 将 一 个字 长 为 Ｎ的 累加器 进 行拆 分 ， 分
基于FPGA的任意波形发生器的设计
1绪论1.1频率合成技术概述所谓频率合成技术指的是由一个或者多个具有高稳定度和高精确度的频率参考源，通过在频率域中的线性运算得到具有同样稳定度和精确度的大量的离散频率的技术。
完成这一功能的装置被称为频率合成器。
频率合成信号发生器是利研、教学实验及各种电子测量技术中很重要的一种信号源，频率合成器应用范围非常广泛，特别是在通信系统、雷达系统中，频率合成器起了极其重要的作用。
随着电子技术的不断发展。
频率合成器的应用范围也越来越广泛，对信号源的性能要求也越来越高，要求信号源的频率稳定度、准确度及分辨率要高，以适应各种高精度的测量，为了满足这种高的要求，各国都在研制一此频率合成信号源，这种信号源一般都是由一个高稳定度和高准确度的标准参考频率源，采用锁相技术产生千百万个具有同一稳定度和准确度的频率信号源，为了达到高的分辨率往往要采用多个锁相环和小数分频技术。
主要指标有以下这些(1) 输出频率的范围指的是输出的最小频率和最大频率之间的变化范围。
(2) 频率稳定度指的是输出频率在一定时间间隔内和标准频率偏差的数值，它分长期、短期和瞬间稳定度三种。
(3) 频率分辨率指的是输出频率的最小间隔。
(4) 频率转换时间指的是输出由一种频率转换成另一种频率的时间。
(5) 频谱纯度频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量，杂散分为谐波分量和非谐波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。
(6) 调制性能指的是频率合成器是否具有调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)等功能。
1.2频率合成器的实现方法基于FPGA的数字合成信号发生器频率合成器的实现方法大体可以分成三种：直接频率合成、间接频率合成、直接数字频率合成。
下面对这三种方法进行一下简单的介绍。
直接频率合成是一种比较早期的频率合成方法，这种频率合成方法使用一个和多个标准。
频率源先经过谐波发生器产生各次谐波，然后经过分频、倍频、混频滤波等处理产生所需要的各个频点。
毕业设计(论文)-基于fpga的函数信号发生器的设计与实现[管理资料]
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基于FPGA的函数信号发生器的设计与实现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，极大的提高函数发生器的性能，降低生产成本。
本文首先介绍了函数波形发生器的研究背景和DDS的理论。
然后详尽地叙述了用FPGA完成DDS模块的设计过程，接着分析了整个设计中应处理的问题，根据设计原理就功能上进行了划分，将整个仪器功能划分为控制模块、外围硬件、FPGA器件三个部分来实现。
最后就这三个部分分别详细地进行了阐述。
本文利用Altera的设计工具QuartuSH并结合VeI’i1og一HDL语言，采用硬件编程的方法很好地解决了这一问题。
论文最后给出了系统的测量结果，并对误差进行了一定分析，结果表明，，、三角波、锯齿波、方波，通过实验结果表明，本设计达到了预定的要求，并证明了采用软硬件结合，利用FPGA技术实现波形发生器的方法是可行的。
关键词:函数发生器，直接数字频率合成，现场可编程门阵列The Design and Realize of DDS Based on FPGAAbstractArbitrary Waveform Generator(AWG) is one of the most popular instruments in modern testing domains，Which represents the developing direction of signal sources· Direct Digital frequency Synthesis(DDS) advance dearly in full digital technology for frequency synthesis，its LUT method for synthes waveform .Adapts togenerate arbitrary Waveform· Field programable GateArray(FPGA)has the feature sof Iargeseale integration,high working frequency and ean realize lal’ge Memory,50FPGAeaneffeetivelyrealizeDDS.The of Corporation Altera ehosen to do the main digitalProcessing work，which based on its large sale and highs Peed. The 53C2440MCU ehosenasa control ehip· Inthisdesign,how to design the fpga chip and theInter faee between the FPGA and the control ehiP the the method ofSoftware and hardware Programming,the design used the software Quartus11 and languageverilog一HDL solves ，the PrineiPle of DDS and Basis of EDA technology introdueed Problem is the design are analyzed and the whole fun into three Parts:masterehiP，FPGA deviee and PeriPheral three Parts are described indetail disadvantage and thing sneed toadv anceareal Of the dissertation,or asquare wave with in the frequency rangeto20MHz .Planed and the way to use software and hardware Programming method and DDS Technology to realize Functional Waveform Generatoravailable.Keywords:DDS;FPGA;Functional Waveform Generator目录第一章绪论 ................................................ IV ............................................................................................................... IV ................................................................................................................. V ......................................................................................................... V....................................................................................................... VI .............................................................................................................. VII ...................................................................................................... VIIDMA输出方式.......................................................................... VII...................................................................................................... VII..................................................................................................... V III 第二章直接数字频率合成器的原理及性能 ................................................ I .................................................................................................................. I .......................................................................................................... I......................................................................................................... I I DDS原理 ............................................................................................. I II 第三章基于FPGA的DDS模块的实现 .......................................................... I (FPGA)简介 ............................................................................................. I II软件并建立工程 ....................................................................... I I新建Block Diagram/Schematic File并添加模块电路。
基于FPGA的任意波形发生器的设计和实现
在腐蚀领域和电镀行业，常常需要使用任意波形的电流电压信号进行生产和测试。
任意波形是指频率可变、幅值可变、相位可变的正弦波形和其他波形，如三角波形、锯齿波、特殊波形等。
目前任意波形发生器大多采用直接数字频率合成(DDS)技术，即将波形的数字量信号存储于存储器中，嵌入式主机以一定的速率依次将存储器单元中的波形数据逐个发送给D／A转换器，合成为需要的波形。
随着微处理器日益广泛的应用和大规模集成电路技术的发展，出现了大量能够产生多种波形且性能稳定的任意波形发生器，但大多数方案都是基于串行或并行总线进行数据的传输，这种方案虽然成本较低，但系统的实时性较差，难以满足复杂波形的大数据量的传输要求。
我们设计了一种基于FPGA芯片的任意波形发生器，充分利用了FPGA强大的逻辑功能，实现了利用单片FPGA芯片控制整个系统的方案。
同时选择USB2．0接口芯片CY7C68013，它能较好地与FPGA芯片合作，完成系统预先设计的功能，使总体电路简单，成本低廉，产生的波形信号精度较高。
数字波形数据从上位机通过USB总线直接存储在SRAM数据存储器中，通过FPGA控制，将波形数据读出，送入后向通道进行D／A转换和放大处理后得到所需的模拟信号波形。
与传统的发生器在ROM或FLASH存储波形数据的方法相比，具有更大的灵活性。
1 系统总体结构及工作过程波形发生器以FPGA为核心，它控制着整个系统的读、写、输出等操作，系统框图如图l所示。
上位机将数字波形数据通过USB2．O总线送到数据存储器中，数据存储器循环地将波形数据发送到DAC电路，由DDS电路产生相应的DAC刷新时钟(0～1MHz，步进0．02Hz)，DAC输出波形经缓冲放大、低通滤波、放大输出。
输出的波形频率为0．1Hz(DC)～1MHz(-3dB)，频率分辨率为0．01Hz。
本系统主要由五部分组成：(1)上位机。
主要功能是利用仿真软件(如CVI、MATLAB、VB等)产生所需波形数据，并通过USB接口下载到波形发生器中，其次就是存储USB2．0接口芯片的驱动(2)USB2．0接口控制器芯片。
基于FPGA的任意波形信号发生器的设计与实现
基于FPGA的任意波形信号发生器的设计与实现发布时间：2021-05-13T09:58:53.630Z 来源：《中国电力企业管理》2021年2月作者：赵晓燕[导读] 任意波形信号发生器是一种能够提供正弦波、三角波、矩形波、高斯波形、不规则波形等任意波形的设备，常应用于高级研究、复杂电子测试等领域中需求苛刻激励源的情况。
现有的信号发生器具有价格高、体积大、通道数少、操作复杂等缺点，现有的直接数字频率合成信号发生器具有不适宜产生不规则任意波形的缺点。
南京先进激光技术研究院赵晓燕 210000摘要：任意波形信号发生器是一种能够提供正弦波、三角波、矩形波、高斯波形、不规则波形等任意波形的设备，常应用于高级研究、复杂电子测试等领域中需求苛刻激励源的情况。
现有的信号发生器具有价格高、体积大、通道数少、操作复杂等缺点，现有的直接数字频率合成信号发生器具有不适宜产生不规则任意波形的缺点。
本文提出一种基于FPGA的任意波形信号发生器，可以提供至少六路任意波形信号发生通道，具有面向用户的操作界面，具有精度高、成本低、体积小、便于操作、便于集成等优点，能有效弥补现有信号发生器产品和直接数字频率合成信号发生器的缺点。
关键词：信号发生器、任意波形、FPGA、多通道引言信号发生器[1]是一种可以产生各种频率、各类波形和各种输出电平的电信号的设备，常被用作激励源或信号源，广泛应用于生产、科技、工业、教学等各项领域中。
任意波形信号发生器是一种可以产生正弦波、三角波、矩形波、高斯波形、不规则波形等任意波形的设备，常应用于高级研究、复杂电子测试等领域中需求苛刻激励源的情况。
目前，国内的信号发生器主要有两种：一种是成熟的面向市场的信号发生器产品，具有集成度高、功能多、产品型号丰富的优点，但具有价格高、体积大、通道数少、任意波形产生操作复杂的缺点，不便于应用于系统集成，以及需求多路通道同步工作的场景下。
另一种是基于直接数字频率合成（DDS）技术实现的信号发生器，具有成本低、体积小的突出优点，但该方法多以产生基础信号的调幅、调频、调相信号为主，不适宜产生不规则的任意波形，不能满足特定需求场合。
基于FPGA和DDS技术的任意波形发生器设计
计算机应用技术 对应同一个 Ｒ 如果把相 位累 加器输出 ＡＭ 地址的情况 ， 的所有位数全部 用 来 查 询 Ｒ 那么 Ｒ ＡＭ， ＡＭ 的 容 量 会 如此巨大的 Ｒ 非常的大 ， ＡＭ 表容量在实际工作中 难以 实现 。 因此 ， 常使用相 位 地 址 高 位 来 寻 址 ， 舍去低位的 这 种 方 法 会 引 入 一 定 的 噪 声， 但 相位截断方法 。 当然 ， 对于节省的资源来说 ， 这种方法还是值得的 。
２］ 用图 １ 来表示 ［ 。
（ ）传统的直接频率合成技能 （ ） 。 该类要领能 １ Ｄ Ｓ 实现高速频率变换 ， 具有低相位噪声以及所有要领中最 高的工作频率 。 但由 于 采 用 大 量 的 倍 频 、 分 频、 混频和 滤波环节 ， 导致其结 构 复 杂 、 体 积 庞 大、 成 本 昂 贵， 而且 容易产生过多的杂散分量 。 （ ）锁 相 环 式 频 率 合 成 器 （ 。该类技能具有 ２ Ｐ Ｌ Ｌ） 良好窄带跟踪特征 ， 可选 择 所 需 频 率 信 号， 抑制杂散分 量， 且省去大量滤波 器 ， 有 利 于 集 成 化 和 小 型 化。但 由 于锁相环本身是个惰 性 环 节 ， 锁 定 时 间 较 长， 因而频率 转换时间较长 ， 且由模 拟 要 领 合 成 的 正 弦 波 参 数 （ 如幅
为 相 位 值， 以二进制代码的形式查询正弦函数表 再将相位信 息 转 变 成 相 应 的 数 字 量 化 正 弦 幅 度 Ｒ ＯＭ， 值 。Ｒ ＯＭ 输出的数字 正 弦 波 序 列 经 数／模 转 换 器 转 变 为阶梯模拟信号 ， 最后通过低通滤波器平滑后得到一个 纯净的正弦模拟信号 ， 其频率为 ：
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｎｏ ｆＲ ａ ｎ ｄ ｏ ｍＷ ａ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍＧ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒＢ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎＦ Ｐ Ｇ Ａａ ｎ ｄＤ Ｄ ＳＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｕ ｅ ｇ ｑ
基于FPGA的波形发生器设计
可编程器件应用 电 子 测 量 技 术 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ第３５卷第７期２０１２年７月 基于ＦＰＧＡ的波形发生器设计邹 建 林 强 王二锋（重庆大学光电工程学院 重庆 ４０００３０）摘 要：利用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８为控制核心，以ＴＬＶ５６１８为ＤＡ转换芯片，运用ＤＤＳ基本原理，通过Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ和ＭｏｄｅｌＳｉｍ软件编写波形发生器的每个单元模块和测试模块，利用数码管显示波形的种类和频率值，利用按键步进控制波形的频率大小，系统产生的８种波形包括４种常规波形、３种常见调制波形以及任意波形。
实验表明，采用该设计系统稳定性高，可扩展性强，波形可以任意调整，降低了设计的成本。
关键词：ＦＰＧＡ；ＴＬＶ５６１８；直接数字频率合成；波形发生器中图分类号：ＴＮ７４１ 文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗａｖｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡＺｏｕ Ｊｉａｎ Ｌｉｎ Ｑｉａｎｇ Ｗａｎｇ Ｅｒｆｅｎｇ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｏｐｔｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３０）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｕｓｅｄ Ａｌｔｅｒａ ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃｈｉｐ ａｎｄ ＴＬＶ５６１８ａｓ ｔｈｅ ＤＡＣ ｃｈｉｐ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＤＤＳ ｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｅａｃｈ ｕｎｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｍｏｄｕｌｅ ａｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ ａｎｄ ＭｏｄｅｌＳｉｍｓｏｆｔｗａｒｅ，ｄｉｇｉｔａｌ ｔｕｂｅ ｄｉｓｐｌａｙｅｄ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖａｌｕｅ，ｕｓｅｄ ａ ｋｅｙ ｔｏ ｓｔｅｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅｗａｖｅｆｏｒｍ，ｅｉｇｈｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｅ ｆｏｕｒ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｗａｖｅｆｏｒｍ，ｔｈｒｅｅ ｃｏｍｍｏｎｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ ａｎｄ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｗｅｌｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｃａｎ ｂｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ＴＬＶ５６１８；ＤＤＳ；ｗａｖｅｆｏｒｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ 本文于２０１２年３月收到。
(整理)基于FPGA和LabVIEW的任意波形发生器设计.
1 绪论波形发生器是一种常用的信号源，广泛应用于通信、雷达、测控、电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备。
随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。
可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场需求，研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。
1．1 波形发生器的发展及现状波形发生器的核心技术是频率合成技术，主要方法有：直接模拟频率合成、锁相环频率合成(PLL)，直接数字合成技术(DDS)。
传统的波形发生器一般基于模拟技术。
它首先生成一定频率的正弦信号，然后再对这个正弦信号进行处理，从而输出其他波形信号。
早期的信号发生器大都采用谐振法，后来出现采用锁相环等频率合成技术的波形发生器。
但基于模拟技术的传统波形发生器能生成的信号类型比较有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少数的规则波形信号。
随着待测设备的种类越来越丰富，测试用的激励信号也越来越复杂，传统波形发生器已经不能满足这些测试需要，任意波形发生器（AWG)就是在这种情况下，为满足众多领域对于复杂的、可由用户自定义波形的测试信号的日益增长的需要而诞生的。
随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D／A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。
它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。
实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制D／A，就可以得到各种简单波形。
但由于微处理器的速度限制，这种方式的波形发生器输出频率较低。
目前的任意波形发生器普遍采用DDS(直接数字频率合成)技术。
基于DDS技术的任意波形发生器(AWG)利用高速存储器作为查找表，通过高速D／A转换器对存储器的波形进行合成。
EDA课程设计基于FPGA的任意波形发生器
EDA课程设计__基于FPGA的任意波形发生器学院：通信与电子工程学院摘要本文要紧探讨了应用FPGA灵活可重复编程和方便在系统重构的特性，以Verilog HDL为设计语言，运用QuarrtusII软件，将硬件功能以软件设计来描述，提高了产品的集成度，缩短开发周期。
所设计的波形发生器可产生正弦波（sina_wave）、锯齿波（swat_wave）、矩形波（squr_wave）、三角波（trig_wave）四种信号，能够实现信号的转换而且频率可调；关键字：任意波形发生器 FPGA Verilog HDL QuartusIIAbstractThis paper explored the application of flexible and reprogrammable FPGA and convenience features in the system reconfiguration to Verilog HDL design language, the hardware functions to software design to describe and improve the integration of products and shorten the development cycle. Waveform generator designed to produce sine wave (sina_wave), ramp (swat_wave), rectangular wave (squr_wave), triangular wave (trig_wave) four signals, to achieve signal conversion and frequency adjustable;Keywords: Arbitrary Waveform Generator FPGA Verilog HDL QuartusII目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)第 1章绪论 (1)概述 (1)任意波形发生器的功能 (1)国内外进展现状 (2)第2章波形发生器的大体理论 (4)FPGA简介 (4)Verilog语言简介 (4)Verilog语言概述 (4)VerilogHDL大体结构 (5)Q uarrtusII概述 (6)第3章方案设计 (8)系统介绍 (8)波形发生器各个模块设计 (9)Wave_gen 模块 (9)波形数据存储 ROM 模块 (9)第4章波形发生器软件仿真 (11)设计平台及仿真工具 (11)仿真进程 (11)结论 (14)附录 (16)第 1章绪论概述波形发生器是一种经常使用的信号源，普遍应用于电子电路，自动操纵系统，教学实验等领域，目前利用显现了大量能够产生多种波形且性能稳固的任意波形发生器，但大多数方案都是基于串行或并行总线进行数据的传输，这种方案尽管本钱较低，但系统的实时性较差，难以知足复杂波形的大数据量的传输要求。
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The thesis systematically introduces the composition and working principle of DDS, analyzes the spectrum characteristics of its output, and gives the methods of reducing the noise, which presents the theoretical guidance for design and realization of AWG. The structure of AWG is planned from the overall and the circuit is presented. Considering the spectrum characteristics of DDS’s output, two kinds of filters aredesigned tofilter signals unwanted. The digital part in DDS and its interface with USB are designed on the Cyclone II FPGA chip EP2C5Q208C8 with Quartus II. This digital part can realize amplitude modulation (AM), frequency modulation (FM) and several kinds of digital modulation. On this basis, taking advantage of PC’s powerful calculation and displaying capability, we design the operation panel of AWG with LabWindows/CVI. On the panel user can choose conventional waves such as sine wave, square wave, triangle wave, sawtooth wave, white noise ect., or draw waves by hand, and set wave parameters to control instrunment generate corresponding waveform, which embodies the “arbitrary” character of AWG.. The result of experimentation proves that this AWG has attained the desire of design.
摘要
任意波形发生器是不断发展的数字信号处理技术和大规模集成电路工艺蕴育出来的一种新型测量仪器，能够满足人们对各种复杂信号或特殊信号的需求，代表了信号源的发展方向。可编程门阵列（FPGA）具有高集成度、高速度、可重构等特性。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减小印制电路板的面积，提高系统的可靠性和灵活性。本课题将DDS、USB接口和虚拟仪器技术有机地结合在一起，以FPGA为硬件基础，通过系统硬件电路设计、逻辑设计和软件设计，实现了一款基于FPGA的低成本、便携式、可扩展的即插即用任意波形发生器。
关键词： 直接频率合成 可编程门阵列 通用串行总线 虚拟仪器
Abstract
With the unceasing development of digital signal processing technique andVLSI technology, a new measure instrument—arbitrary waveform generator (AWG) comes into being. AWG can meet the desire of complicated and special signal, which represents the developing direction of signal sources. Field programmable gate array (FPGA) has the features of large scale integration, high working frequency and reconfiguration. It can greatly shorten design period, reduce the size of printed circuit board (PCB) and improve system reliability and flexibility to design digital circuit by use of FPGA. By combining direct frequency synthesis (DDS), universal serial bus (USB) and virtual instrument effectively, a low cost, portable and extensible AWG based on FPGA has been realized. The main contents consist of hardware design, logic design and software design are outlined as follows.