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1、基于基于FPGA的任意波形发生器设计的任意波形发生器设计指导老师：李剑锋指导老师：李剑锋贾恒龙贾恒龙 060220305什么是任意波形发生器（什么是任意波形发生器（AWG）v生成标准的波形生成标准的波形l正弦，方波，三角波，脉冲波正弦，方波，三角波，脉冲波l调制波，脉冲串调制波，脉冲串v生成和重现生成和重现“实际环境实际环境”信号信号l不规则信号，如毛刺、偏移、噪声等不规则信号，如毛刺、偏移、噪声等为为什么使用任意波形什么使用任意波形发发生器生器（AWG）v充分地模充分地模拟拟各种波形情况包括各种波形情况包括电电平平特性，特性，频频率特性，噪声特性等等，率特性，噪声特性等等，测试产测试产品的性
2、能。品的性能。v还还原原实际环实际环境中的波形，降低境中的波形，降低实验实验的的风险风险和开和开发发的成本的成本。任意波形发生器的三种基本原理特点及比较任意波形发生器的三种基本原理特点及比较v直接模拟合成直接模拟合成v锁相环合成（锁相环合成（PLL）v直接数字合成（直接数字合成（Direct Digital Synthesizer）三种原理的列表比三种原理的列表比较选用选用DDS的原因的原因DDS的工作特点及优点：的工作特点及优点：v1、极高的频率分辨率、极高的频率分辨率v2、极快的频率切换速度、极快的频率切换速度 v3、易于实现各种数字调制、易于实现各种数字调制 v4、连续的相位变化、连续的
3、相位变化 v5、较低的相位噪声和低漂移、较低的相位噪声和低漂移 v6、集成度高、集成度高关于设计此任意波形发生器的关于设计此任意波形发生器的预期目标预期目标 不仅可以生成方波、三角波、不仅可以生成方波、三角波、正弦波等标准波形，而且还要正弦波等标准波形，而且还要可以生成用户所需要的任意波可以生成用户所需要的任意波形，同时输出波形的频率和幅形，同时输出波形的频率和幅度均可编程控制度均可编程控制。基于基于DDS技术选择的实施方案技术选择的实施方案v方案一：方案一：使用使用DDS专用芯片专用芯片作为核心器件，用单片机与作为核心器件，用单片机与FPGA联合构成控制模块联合构成控制模块v此方案的优点是易
4、于控制，因为此方案的优点是易于控制，因为DDS集成芯片有成熟的集成芯片有成熟的工艺，无需另行架构，波形稳定度与准确度都比较高，有工艺，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，专用的理想的波形质量。但是，专用的DDS芯片的数据表都已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，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，同时无法灵活的实现任意波形的输出，同时DDS芯片加单片芯片加单片机的设计模式使硬件电路相对复杂。机的设计模式使硬件电路相对复杂。基于基于DDS技术选择的实施方案技术选择的实施方案v方案二：方案二：基
5、于基于FPGA实现实现DDS功能，通过单片机实现控制。此方功能，通过单片机实现控制。此方案的核心在于案的核心在于FPGA的设计实现逻辑功能，通过对存储器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。形。单片机作为控制器，易于控制与调试。v此方案的优点是通过此方案的优点是通过FPGAFPGA构建构建DDSDDS，方法灵活，易于产生，方法灵活，易于产生任意波形。综合考虑，选用第二种方案。具体框图如下：任意波形。综合考虑，选用第二种方案。具体框图如下：系统框图原理详解系统框图原
6、理详解v如图所示，分为上位机（如图所示，分为上位机（PC）和下位机（）和下位机（MCU）两部分。下位机可）两部分。下位机可以独立的使用，通过键盘进行波形的选择、编辑与频率设置，输入数以独立的使用，通过键盘进行波形的选择、编辑与频率设置，输入数据由单片机输出频率控制字，送到据由单片机输出频率控制字，送到FPGA中的相位累加器实现对所要中的相位累加器实现对所要频率的合成，用生成的地址数据查找存在频率的合成，用生成的地址数据查找存在RAM里相应的单个周期波形里相应的单个周期波形数据，实现波形的采样合成。再由数据，实现波形的采样合成。再由DA转换、低通滤波，调理单元输转换、低通滤波，调理单元输出所需信
7、号波形。下位机亦可以通过出所需信号波形。下位机亦可以通过USB2.O通用串行总线与上位通用串行总线与上位PC机构成波形产生系统。上位机安装有机构成波形产生系统。上位机安装有Labview开发的具有良好人机交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。键盘输入电路用于信号源脱离据的下载。键盘输入电路用于信号源脱离PC机单独使用时，选择波形机单独使用时，选择波形的种类、编辑任意波、设置频率等。的种类、编辑任意波、设置频率等。v单片机主要完成以下三个方向的任务：单片机主要完成以下三个方向的任务：
8、(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频率控制字送FPGA。(2)将输出信号的频率送数码管显示。将输出信号的频率送数码管显示。(3)与与USB接口芯片实现接口芯片实现USB接口电路并与上位接口电路并与上位PC机通信。机通信。主要要完成的工作：主要要完成的工作：v1）基于）基于FPGA的的DDS实现 首先熟悉首先熟悉Quartus II开开发环境，其次境，其次对确定确定FPGA的的型号并型号并对配置方式做配置方式做简单分析。分析。v2）电源源设计：在本在本电路板中，由于不同器件的工作路板中，由于不
9、同器件的工作电压不同，我不同，我们采采用三端用三端稳压器器78M05、LMll7-15和和LMll7-3.3的搭的搭配配满足各器件要求。因足各器件要求。因为串口芯片、串口芯片、单片机、片机、AD转换器器与与DA转换器等器件的工作器等器件的工作电压一般在一般在5V；而；而FPGA的的IO端口、端口、时钟芯片、静芯片、静态存存储器等器件的工作器等器件的工作电压一般一般在在3.3V；FPGA的内核的内核电压为1.5V。所以。所以实现不同不同电压输出，才能保出，才能保证各器件正常工作。各器件正常工作。v3）数模）数模转换设计v 在系在系统中，波形的幅度中，波形的幅度值被量化成数字被量化成数字值存存储在
10、在ROM中，通中，通过一一组数据数据线输出代表二出代表二进制制编码的的电平信号。平信号。为了将数字信号了将数字信号转换成模成模拟信号，需要信号，需要用到数模用到数模转换器，器，简称称DAC(DigitalAnalog Converter)。为了数了数据据处理理结果的准确性，果的准确性，转换器必器必须有足有足够的的转换精度，同精度，同时为了能了能够在在较高高频率下工作，它必率下工作，它必须有足有足够快的快的转换速度。因此，速度。因此，转换精度和精度和转换速度是衡速度是衡量量DA转换器性能器性能优劣的主要劣的主要标准。目前常准。目前常见的的DA转换器中，有器中，有权电阻网阻网络DA转换器，倒梯形器
11、，倒梯形电阻网阻网络DA换器，器，权电阻网阻网络DA转换器，倒梯形器，倒梯形电阻阻DA网网络转换器，器，权电流型流型DA转换器，器，权电容型网容型网络DA转换器以及开关器以及开关树型型DA转换器几个器几个类型。型。v4）滤波器波器设计 典型的模典型的模拟滤波器有巴特沃斯波器有巴特沃斯(Butterworth)滤波器、切比雪夫波器、切比雪夫(Chcbyshcv)滤波器、波器、贝塞塞尔(Scsscl)滤波器和波器和椭I圜圜(Ellipsc)滤波器。波器。这几种低通几种低通滤波器都有各自的幅波器都有各自的幅频特性。通特性。通带与阻与阻带之之间称称为过渡渡带，过渡渡带越窄，越窄，说明明滤波器的波器的选
12、择性越好。巴特沃斯性越好。巴特沃斯滤波器的响波器的响应最最为平坦，它的平坦，它的通通带内没有波内没有波纹，在靠近零，在靠近零频处，有最平坦通，有最平坦通带，趋向阻向阻带时衰减衰减单调增大，增大，缺点是从通缺点是从通带到阻到阻带的的过渡渡带最最宽，对于于带外干外干扰信号的衰减作用最弱，信号的衰减作用最弱，过渡渡带不不够陡峭。切比雪夫陡峭。切比雪夫滤波器在通波器在通带内衰减在零内衰减在零值和一个土限和一个土限值之之间做等做等起伏起伏变化，阻化，阻带内衰减内衰减单调增大，通增大，通带或或组带有波有波动，但，但过渡渡带比比较陡峭。陡峭。贝塞塞尔滤波器通波器通带内有内有较好的好的线性相位持性。性相位持性
13、。椭圆函数函数滤波器不波器不仅通通带内有内有起伏，阻起伏，阻带内也有起伏，而且内也有起伏，而且过渡渡带陡峭。陡峭。v5）AD转换器器 本本设计采用采用AD转换器主要考器主要考虑到可以到可以进行信号数据的行信号数据的输入，以各种便捷的形式，入，以各种便捷的形式，为任意波形的任意波形的输出出创造条件。模数造条件。模数转换器的主要参数同器的主要参数同样有有转换精度和精度和转换速度的要求。速度的要求。而常而常见的模数的模数转换器有并行模数器有并行模数转换器、逐次逼近型模数器、逐次逼近型模数转换器和双斜器和双斜积分式模数分式模数转换器器这三三类。v6）接口）接口电路路设计 因因为输入信号的引脚使用入信号
14、的引脚使用TREFB、REFBS、REFTS、VDDA和地和地线。所以可用跳。所以可用跳线帽改帽改变输入的信号入的信号电压。JAl接通，接通，JA2断开断开时，输入入电压范范围为O一一228V。JAl和和JA2用跳接通用跳接通时，输入的信号入的信号电压范范围为05V，断开，断开时为061V一一26V。v7）单片机与接口片机与接口设计 单片机全称是片机全称是单片微型片微型计算机，又称作微控制器算机，又称作微控制器(Mieroeontroller)，是微型，是微型计算算机的一个重要分支，特机的一个重要分支，特别适用于控制适用于控制领域。一般域。一般单片机是又片机是又单块的集成的集成电路芯片构成，路
15、芯片构成，内部包含了基本功能部件：内部包含了基本功能部件：CPU、存、存储器、器、170接口、定接口、定时器器计数器、中断系数器、中断系统等。等。由于集成由于集成电路的路的进步，片内甚至会步，片内甚至会继承承HSO、HIS、ADC等等“片内外片内外设等特殊功能等特殊功能部件。随着部件。随着单片机功能的增片机功能的增强，它的，它的应用也日益广泛。它可以配用打印机、用也日益广泛。它可以配用打印机、绘图仪显示器等外示器等外围设计，而且可以，而且可以联网。网。v8）键盘与与显示示电路路 在在编辑波形波形时，可以采用，可以采用键盘来控制参数。利用来控制参数。利用单片机的片机的P10口的口的8个端口可以个端口可以扩展一个展一个4X4的的键盘，可以大大方便，可以大大方便频率与相位的率与相位的输入，也使入，也使编程得到了程得到了简化，控制化，控制更更为便捷。便捷。LED电路配合按路配合按键，起到，起到显示功能。按示功能。按键的的变化化实时的在的在LED上得到表上得到表现。谢谢欣赏谢谢欣赏2010年年3月月26日日