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 FPGAFPGA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。

3 上位机部分3.1 LabVIEW软件设计LabVIEW部分软件设计是采用图形化的方法设计的。

在前面板上控件主要有：波形选择，频率旋钮，频段调节，幅度调节。

这四部分的调节直接影响波形信号的改变，在程序框图中，每一种调节都对应一种波形参数，当前面板中相应的控件值改变时，参数也随之改变，并把这些调节参数连接起来通过串口发送出去。

其软件流程图如图3.1所示。

图3.1 LabVIEW软件设计流程图3.2前面板设计如图3.2所示，前面板可以操作界面：波形选择，频率控制，占空比调节，幅度调节。

图3.2 LabVIEW软件前面板图3.3 程序框图设计3.3.1 程序设计如图3.3所示，程序框图提供VI 的图形化源程序。

图3.3 LabVIEW软件程序框图在程序框图中对VI 编程，以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。

可以看到程序框图中包括了前面板上的开关、旋钮、数值显示等控件的连线端子，还有一些CIN节点，if循环结构及程序的循环结构。

整个程序框图设置了一个While Loop 循环，使它持续工作下去。

由电源开关控制这一循环的结束。

整个程序主要有以下几个模块：波形类型模块；频率选择模块；频段选择模块；幅值选择模块；串口发送模块设计。

3.3.2波形类型设计波形类型模块如图3.4所示。

图3.4 波形类型设计图波形类型模块的主要功能是得到波形参数当前面板中的三角控件按下时，参数为0，正弦控件按下时参数为1，方波控件按下时参数为2。

首先，由于三角，方波，正弦都是输入控件，在程序框图中相当于普通编程语言的输入参数，只有输出端子，没有输入端子，且输出值为布尔量，通过布尔转（0，1）VI，可以把输出值转换为0 或1，分别送到一CIN节点，对其编程如图三角输入量设为 a；方波输入量设为 b；正弦输入量设为 c；输出为d。

CIN节点功能就是当a=1时，输出d＝0，表示三角波；当b=1时，输出d=2，表示方波；当c=1时，输出d=1，表示正弦波。

之后把d的值送至一数值转十进制字符VI，等待打包发送。

CIN节点程序如下：if(a==1)d=0；elseif(b==1)d=2；elseif(c==1)d=1；3.3.3频率选择模块设计频率选择模块如图3.5所示。

图3.5 频率选择模块设计图频率选择模块的主要功能是由频段按钮与频率调节选钮的的值作为输入计算出频率值并且得到频率系数和频段参数。

频率旋钮调节输出是一0～359之间的数值假设为a，频段的判断方法与波形选择模块相似，可分别用0～6七个数字来分别表示2M～2Hz这七个频段，则频率的值为pinlv=205+a*5/(10^n)Khz。

这些数值转换也在一个CIN公式接点内完成。

3.3.4峰峰值调节设计如图3.6所示，峰峰值的调节是由幅侄调节旋钮完成的，主要功能是调节信号的峰峰值大小，峰峰值的调节输出直接送到峰峰值的显示控件，范围为0～8.5V，步进为0.1v。

但其参数为真实值的十倍，以0～85代表0～8.5v之间的数值。

图3.6 峰峰值调节设计图3.3.5 串口发送设计串口的发送是很重要的一部分，主要功能是完成把波形指令发送到串口上。

如图3.7所示，串口采用的是LabVIEW自带的串口发送模块VISA，可以很方便的调用。

在LabVIEW的VISA面板中有VISA配置、VISA读取、VISA写入、VISA关闭、VISA打开等关于VISA串口操作的模块。

图3.7 串口配置与发送设计图首先要先调用一个VISA配置VI，此VI的功能是完成串口的配置，如波特率，数据位数，有无奇偶校验等，在这里设置的是波特率为9600，一位起始位，八位数据位，一位停止位，无奇偶校验，无握手协议。

其次，调用一VISA写入VI，此VI是将连接好的一包数据按指定格式，速率发送的串口上。

最后，调用VISA关闭VI，关闭串口。

4 下位机部分4.1 DDS原理直接数字频率合成即DDS，是目前最新的产生频率源的频率合成技术。

目前用的最多的是查表法。

这种合成技术具有相对带宽很宽，频率切换时问短(ns级)，分辨率高(uHz)，相位变化连续，低相位噪声和低漂移，数字调制功能，可编程及数字化易于集成，易于调整等一系列性能指标，远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为各种电子系统提供了优于模拟信号源性能的高质量的频率源。