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。它不仅可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波等规则波形，而且还可以通过上位机编辑，产生真正意义上的任意波形。

1．2 FPGA

FPGA是英文Field Programmable GateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD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领域中的一种半定制电路而出现的，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[8]。

FPGA采用了逻辑单元数组LCA(Logic Cell Array)这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出／输入模块lOB(Input／Output Block)和内部联机(Interconnect)三个部分。

FPGA的基本特点主要有：(1)采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。(2)FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。(3)FPGA 内部有丰富的触发器和I／O引脚。(4)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。(5)FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL 电平兼容。因此，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具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件功能可以像软件一样通过编程来修改。在FPGA实际应用中，设计的保密和设计的可升级是十分重要的，用单片机束配置FPGA可以很好的解决上述问题。用单片机配置FPGA器件时，关键在于产生合适的时序。

可编程逻辑芯片的发展，特别是高速FPGA的推出，给DDS的开发应用提供了一个非常合适的契机。利用FPGA，普通用户也可以根据需要开发自己的DDS芯片。FPGA 一般使用HDL语言进行开发。HDL语言软件式的硬件设计方法可以给DDS芯片的设计带来高度的灵活性，可以根据需要方便的实现所需的功能。同时，FPGA的速度也越来越快，现在的FPGA已经可以轻松的工作在上百MHz的时钟频率之下，这样就给实现高速DDS芯片提供了有利条件。

1．3 虚拟仪器

1986年，美国国家仪器公司提出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是以通用计算机作为系统控制器，由软件来实现人机交互和大部分仪器功能的一种计算机仪器系统。虚拟仪器利用个人计算机强大的图形环境来建立虚拟仪器面板，从而完成对仪器的控制、数据分析与显示功能。它可以代替传统仪器，改变传统仪器的使用方式，提高仪器的功能、使用效率，大幅度降低仪器价格，使用户可以根据自己的需要定义仪器的

功能[10]。虚拟仪器的出现代表着仪器发展的最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可估量的影响。与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点：软件是核心，灵活性和可扩展性，性价比高，良好的人机界面，与其他设备互联的能力。

LabVlEW是美国国家仪器公司推出的基于图形编程的虚拟仪器软件，它不仅是一种开发语言，更是一个具有扩展性和通用性的软件开发平台。LabVIEW强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。同时，LabVIEW提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线型代数、信号生成算法、时域和频域算法众多科学领域，可满足各种计算和分析需要。

2 系统方案设计

2．1 总体方案设计

设计方案如图2.1所示。

图2.1 方案设计图

由上位机的人机交互界面通过串口发送指令到下位机，由下位机产生波形，经过数模转换、低通滤波后输出所需要的波形。

2．2 上位机和下位机

上位机是指：人可以直接发出操控命令的计算机，一般是PC，屏幕上显示各种信号。下位机是直接控制设备获取设备状况的的计算机，一般是PLC/单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般模拟量），转化成数字信号反馈给上位机。在概念上控制者和提供服务者是上位机，被控制者和被服务者是下位机，也可以理解为主机和从机的关系，但上位机和下位机是可以转换的。两机如何通讯，一般取决于下位机。下位机一般处于底层控制，上位机可以编程后，传入下位机或者集中管理下位机，下位机在有存储控制程序的情况下，可脱离上位机工作。

在本设计中，上位机安装有用LabVIEW 开发的具有良好人机交互的信号源面板，可以完成任意波形的数据编辑、参数设置和波形数据的下载。下位机通过串口与上位PC机构成波形产生系统。