信号发生器

摘 要
信号发生器是电子工程师、电子设计与测试等生产与科技邻域的重要测试仪器，在生产与科技领域信号发生器都发挥了极大的作用，同时人们的工作效率也得到了提升。随着时代化的进步与快速发展，对信号发生器的稳定度与纯度的要求也越来越高。而直接数字频率合成技术的提出与可编程逻辑器件FPGA的出现为信号发生器的设计与实现提供了理论依据以及技术的支持。
本文基于DDS原理，利用FPGA技术开发了多波形信号发生器。信号发生器的波形数据存储方式采用顺序存储，首先对所有的需要输出信号波形分别提取数据，然后将取样数据依次全部存储在ROM波形表里，通过外围设备拨扭开关选择需要输出的信号波形。通过对各个模块的设计，实现了信号发生器的基本功能，利用Vivado软件对系统程序进行仿真，最后在EGO1开发板上完成调试。
关键词：FPGA ；信号发生器；DDS；Vivado
Abstract

Signal generator is an important test instrument in the production and technology neighborhood of electronic engineer, electronic design and test, which plays a great role in the production and technology field, and people's work efficiency has also been improved. With the progress and rapid development of the times, the requirements for the stability and purity of the signal generator are higher and higher. The direct digital frequency synthesis technology and the appearance of FPGA provide theoretical basis and technical support for the design and implementation of signal generator.
Based on the principle of DDS, a multi waveform signal generator is developed by using FPGA technology. The waveform data of the signal generator is stored in sequence. Firstly, the data of all required output signal waveforms are extracted separately, and then the sampling data are stored in ROM waveform table in sequence. The signal waveforms to be output are selected through the peripheral device toggle switch. Through the design of each module, the basic function of the signal generator is realized, the system program is simulated with vivado software, and finally the debugging is completed on the ego1 development board.
Key words: FPGA; signal generator; DDS; vivado
目 录
摘 要 II
Abstract I
1 绪 论 1
1.1 信号发生器的设计背景 1
1.2信号发生器的国内外研究现状 1
1.3 本文的主要工作 3
2 FPGA和硬件基础 4
2.1 FPGA 介绍 4
2.2 硬件语言VHDL的介绍 5
2.2.1 VHDL的概念 5
2.2.2 VHDL和Verilog的比较 5
2.3 EGO1开发板简介 6
2.3.1按键电路介绍 6
2.3.2DAC电路介绍 7
2.3.3电源介绍 7
3 设计方案 9
3.1 方案论证 9
3.2 方案选择 10
3.3 总体设计方案 10
3.4 DDS基本原理介绍 11
4 软件设计 13
4.1正弦波存储ROM设计 13
4.2 方波设计 13
4.3 三角波设计 14
4.4 锯齿波设计 15
4.5 阶梯波设计 15
4.6波形

选择设计 16
4.7分频模块 17
4.8相位累加器设计 20
4.9频率累加器模块 21
4.10顶层模块设计 21
5 系统调试 24
5.1调试方法 24
5.2硬件调试 24
5.3软件调试 24
结 论 26
参考文献 27
致 谢 29
1 绪 论
1.1 信号发生器的设计背景
信号发生器广泛应用于通信、雷达、测控领域[20]，电子以及现代化仪器仪表等领域[21]，可以为电子信号设备提供严格的技术支持，它的普及性等同于示波器、频谱发生器等仪器，在电子通信等领域应用最广的仪器之一，在电子参数测量过程当中，信号发生器是必不可少的仪器。由于社会现代化步伐飞快，在电子测量工作中对于波形发生器的要求越来越高，不仅要满足输出波形精度的要求，还要在传统波形的基础上可以输出任意波形，同时还要做到操作简单，输出波形的幅值衰减、幅值的精度、输出频率精度、占空比精度都要符合试件的使用要求，还要满足相位可调检测等多方面的技术要求，由此可知，本次设计研究的基于FPGA的信号发生器是很有研究意义的，新型的信号发生器不仅可以满足不断发展的的市场需求，还可以经济支出。基础的信号发生器的特点是输出信号的频率范围较宽，设备结构简单，主要的缺点是输出波形比较单一，没有产生任意波形的功能，并且输出的频率稳定度不高，输出精度也比较差，这种信号发生器虽然具有输出信号频率范围宽，结构简单等优点，但输出波形单一，不能产生任意波形，且频率稳定度和准确度较差，当信号发生器要求精密的时候啊，传统的信号发生器的输出的信号频率便很难达到实验要求[22][23]。
因此传统的信号发生器已经越来越不能满足现代电子测量的需求，正在慢慢的退出历史舞台[24]。而基于FPGA技术的信号发生器具有可以获得高精度、高稳定度、可调相位等优越的性能，因此发展很快，近些年电子行业发展速度很快，信号发生器也在飞速的发展。
1.2信号发生器的国内外研究现状
信号发生器作为一种历史悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使得信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器[1]。
自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器。这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术[5]，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。
自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模

转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DC的程序控制，就可以得到各种简单的波形[10]。
在80年代以后，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号[4]。
90年代末出现了几种真正高性能的函数信号发生器，HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它是由H8770A任意波形数字化和HP1770A波形发生软件组成。
信号发生器技术发展至今，引导技术潮流的仍是国外的几大仪器公司，如日本横河、 Agilent、 Tektronix等美国的FLUK公司的 FLUKE--25型函数发生器是现有的测试仪器中最具多样性功能的几种仪器之一，它和频率计数器组合在一起，在任何条件下都可以给出很高的波形质量，能给出低失真的正弦波和三角波，还能给出过冲很小的快沿方波，其最高频率可以达到5MHz，最大输出幅度也达到10Vpp。
国内也有不少公司已经有类似的仪器。如南京盛普仪器科技有限公司的SPF12DDS信号发生器，华高仪器生产的HG160OH型数字合成函数/任意波形信号发生器[8]。国内信号发生器起步晚，但是发展至今，已红渐渐跟上国际的脚步，能够利用高新技术开发出达到国际水平的高性能多功能信号发生器[7]。
就正弦波信号发生器而言，从有通信设备的时候起，就有了正弦波信号发生后来由于脉冲计数和计算技术的发展，逐渐出现了各种脉冲发生器及特殊波形发生器。就正弦波信号发生器的频率而言开始只有音频、中频和高频，后来渐向两端发展。由于自动控制技术、地球物理和生物等方面的需要，出现了超低频信号发生器；由于空间通信和军事等方面的需要则向甚高频、特高频和超高频领域发展，所以就国内信号发生器频率而言，发展至今，已经有了了不起的进步[8]。就产生的信号类型而言，国内已经能够生产出射频/微波信号发生器，能够产生出性能个不相同的各种频段信号，特别是射微波合成信号发生器。针对移动通信手机和基站设备的测量，一种成为矢量信号发生器的新仪器应运而生，以满足从1G至3G移动通信设备的测量应用。这种矢量信号发生器采用模块结构，嵌入式微机控制，高速总线机箱，成为信号发生器技术发展的代表作。此外还有任意波形发生器，国内已经能生产出各种高性能的信号发生器以满足不同场合的需要[13]。总而言之，技术发展至今，国内已经具备自主开发研制新型多功能多用途的高性能信号发生器的条件。
信号发生器在生产实践和科技领域中有着广泛的应用，各种波形曲

线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器，函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射。这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器[12]。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器[12]。
函数信号发生器是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通信、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论是在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。而且，信号发生器的设计方法多，设计技术也越来越先进，随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类，因此开发信号发生器具有重大意义。
1.3 本文的主要工作
本文完成的主要工作有：
（1）查阅国内外相关文献资料；
（2）根据对信号发生器的了解确定系统的软件设计整体方案；
（3）熟悉主控芯片原理和各种相关器件的工作原理、应用技术；
（4）熟悉VerilogHDL硬件语言，Vivado软件的相关知识；
（5）分模块功能设计软件流程图；
（6）依据相应流程图进行软件编写；
（7）模块调试；
（8）软硬件的联合调试。
2设计基础
2.1 FPGA 介绍
FPGA的英文全称为 Field-Programable- Gate Array，其英文名称的含义是现场可编程门阵列。它具体指的是通过软件的手段去改变和配置器件内部连接结构和逻辑单元以完成指定设计功能的所有数字集成电路[5]。它的发展经历了PAL，GAL，CPLD和其他可编程器件等历史。它的出现主要是用于专用集成电路领域中的一种特殊定制的电路[10]。它的优点可以分为两部分：一部分是解决了原有的可编程器件的门电路数不足；另一部分是弥补了定制电路的限制性[3]。FPGA是一种采用CMOS，SRAM制造的单元结构的PLD器件，但同时又与PLD的阵列结构形式不同，它是由多个独立的可以灵活地相互连接可编程逻辑单元组成，同时还具有高密度，高速度，灵活编程，并且可以重新配置等优点，这些优势的集结使得FPGA已成为当前主流的PLD器件之一。
FPGA的主要优点有：
（1）可编程灵活性高；
（2）开发周期短；
（3）并行计算可编程灵活性高。
FPGA与ASIC的电路有所不同，ASIC是属于全定制电路而FPGA则是属于半定制电路。从理论上讲，如果FPGA提供的

门电路可以满足，任何IC和DSP的逻辑功能都可以通过编程来实现[8]。此外，编程的内容也是可以根据需求重复进行更改，它不像ASIC设计的编程固化后不能在进行修改因此，FPGA的应用也更灵活。在实际编程设计上，FPGA具有的可编程性能够使得开发人员使用软件升级包，通过软件升级包在芯片上运行，进行修改芯片原来的程序，从而避免了更换硬件芯片。更方便的是FPGA，也可以通过互联网进行远程升级FPGA拥有的并行计算效率非常的高效[6]。FPGA采用的是可以一次性执行多条指令的并行计算算法。而一般生活当中应用的ASIC，DSP甚至CPU芯片都采用的是串行计算方式，处理指令的方式只能是单独进行。如果在电路设计当中需要对C和CP的运行速度需要加快，一般都是采用增加频率的方式，所以在设计当中ASIC和CPU的电路当中频率一般较高[6]。虽然FPGA的通用频率都普遍较低，但对于一些特殊要求的设计，大量相对较低速的并行单元比一些高效率单元更有效率。而且，从其他方面来看，并没有所谓的“计算”存在在FPGA芯片内部。处理到最终结果的方式是和ASIC“电路直给”效果非常相似的，所以大大的提高了执行效率。
在以后的发展当中，如果FPGA价格低廉，它将取代大多数ASIC芯片成为主流。然而，现在由于成本、功耗和编程设计三个方面制约了FPFA的发展的制约，FPGA的发展仍旧。
2.2 硬件语言VHDL的介绍
2.2.1 VHDL的概念
VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。出现在在80年代的后期，最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计中。它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。
VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点[25]。
2.2.2 VHDL和Verilog的比较
VHDL与Veril