任意波形发生器设计Word文档格式.doc
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电子科学与技术
指导老师
易立华
职称
副教授
完成时间
2016.05
2
摘要
任意波形发生器（ArbitraryWaveformGenerator,AWG）作为一种多波型的信号发生器，它不仅可以产生锯齿波、正弦波等常规波形，而且还能表现出载波调制的多样化特点，使波形发生调幅、调相、调频和脉冲调制等。
甚至能利用计算机软件实现波形的编辑，生成用户所需要的任意波形。
任意波形发生器广泛应用于自动控制、电子电路和科学试验领域，是一款给电子测量工作提供符合技术要求的电信号设备。
因此在各个领域都得到迅猛的发展。
本论文设计一款任意波形发生器，该系统由输入模块、FPGA模块、DAC数模转换模块、显示模块4个部分组成。
该设计将虚拟化的仪器技术、串行总线接口技术和直接数字频率合成技术完美地结合在一起，以现场可编程门阵列（FPGA）作为硬件基础，然后再通过逻辑设计、系统软件设计和系统硬件电路设计，实现了一款基于直接数字频率合成技术的低成本、便携式、可扩展的可立即使用的任意波形发生器。
关键词：
数字频率合成器；
verilog；
FPGA；
仿真
I
Abstract
Arbitrarywaveformgenerator（ArbitraryWaveformGenerator,AWG）isamultiwavesignalgenerator.Itcannotonlygeneratesasawtoothwave,sinewaveandsoonconventionalwaveformandthediversificationofthemodulatedcarrier,sothatthewaveformoccurrenceamplitudemodulation,phasemodulation,frequencymodulationandpulsemodulation.Canevenusecomputersoftwaretorealizethewaveformoftheeditor,theuserneedstogeneratearbitrarywaveform.Arbitrarywaveformgeneratoriswidelyusedinthefieldofautomaticcontrol,electroniccircuitandscientificexperiment.Itisanelectricalsignalequipmentwhichmeetsthetechnicalrequirementsforelectronicmeasurement.Thispaperdesignsanarbitrarywaveformgenerator,whichiscomposedof4parts,inputmodule,FPGAmodule,DACmoduleanddisplaymodule.Thedesignthevirtualinstrumenttechnology,serialbusinterfacetechnologyanddirectdigitalfrequencysynthesistechnologyperfectcombinationtogether,convertibletofieldprogrammablegatearray（FPGA）asthebasisofhardware,andthenthroughthelogicdesign,systemsoftwaredesignandthehardwarecircuitdesign,andtheimplementationofaarbitrarywaveformgeneratorbasedondirectdigitalfrequencysynthesistechnologyoflowcost,portable,scalableandcanbeimmediatelyused.
Keywords:
Digitalfrequencysynthesizer;
Verilog;
FPGA;
Simulation
II
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2任意波形发生器国内外发展现状 1
1.3问题的提出 2
1.4主要研究工作及内容安排 2
第二章直接数字频率合成器原理及性能分析 3
2.1直接数字频率合成技术的基本原理 3
2.2DDS技术的性能分析 4
第三章FPGA设计流程 6
3.1FPGA简介 6
3.2FPGA的优点 6
3.3FPGA的设计结构 7
第四章针对任意波形发生器的系统设计 9
4.1系统设计 9
4.2FPGA的模块划分 9
4.2.1时钟模块 10
4.2.2D/A转换模块 11
4.2.348位寄存器设计 11
4.2.4地址发生器模块 12
4.2.5波形数据存储器设计 13
4.2.6任意波形输出模块 14
4.3任意波形发生器的FPGA实现 14
第五章总结与展望 16
参考文献 17
致谢 18
附录 19
III
第一章 绪论
1.1引言
波形发生器是我们生活中一种十分常见的电子测试仪器，能够为待测电路形成需要的数据信号，不仅具有精度很高、很好的稳定性、操作很简单等众多优点，而且还能对波形、波形的频率、波形的幅值和波形图的状态控制，甚至被用来虚拟出各种各样复杂而繁琐的信号。
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。
伴随着经济技术的飞速发展，电子科学领域的不断进步，开发具有高性能的、达到人们所需要的波形发生器受到了电子科学界的极大关注。
传统的信号发生器在某些特殊的情况已经不再能满足人们的需求，主要是因为在大多数的研究领域中，不仅要求一些规则的信号，同时还要求一些不规则信号来应用于特殊的系统研究，因此，人们对所需激励源的测试要求不断提高，尤其是对于波形发生器输出波形的类型、波形的频率范围、频率精度以及频率的稳定度都提出了更高的要求。
现在市面上的波形发生器大都采用了DDS（DirectDigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器）技术，这种技术由美国学者J.Tierney、C.M.Rader和B.Gold于1971年首次提出。
但是由于DDS芯片内部的数据结构等都是固定的，不容易改变，使得输出波形的种类有限，系统的可配置性和灵活性也被受到了限制，而且功耗还是比较大、成本也比较高。
后来，伴随着现场可编程门阵列FPGA技术的日益发展，越来越多的人开始关注利用FPGA技术来完成波形发生器的设计。
1.2任意波形发生器国内外发展现状
由于国外对波形发生器的研究相对于国内来说起步比较早，它们的产品无论在技术上，还是在市场占有率上都处于有利领先的地位，为了打破国外波形发生器的垄断的格面，并缩小我过与国外在这方面技术上的差距。
我国在20世纪90年代便开始自主研发生产波形发生器，并取得了较好的成绩，较突出的有北京的RIGOL公司，但是其生产的产品在种类、功能和性能等方面仍然与国外存在着一定的差距，而且高端产品的价格十分昂贵，都在十几万元左右，低端一点的都要几千元。
因此，继续把重点放在波形发生器相关技术的研究工作上，研制具备低成本、高性能的波形发生器将会对我国电子技术的发展和国际影响力都具有极大的促进和推动作用，具有非常广阔的发展前景。
从任意波形发生器的历史发展到至今，根据产品的结构形式可将其分为三种：
（1）独立仪器结构形式；
（2）PC总线式；
（3）VXI模块式。
1.3问题的提出
由于现场可编程门阵列FPGA的应用领域非常广泛。
在数据采集领域，通常的实现方法是利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号之后，再送给处理器。
但是对于高速的A/D和D/A转换芯片来说，FPGA可以完成数据采集的粘合逻辑功能。
在逻辑接口领域中，传统的设计大多都需要专用的接口芯片，如果需要的接口较多，那么将需要较多的外围芯片，体积、功耗都很大。
但采用FPGA的方案后，接口逻辑都可以在FPGA内部来实现，使电路的设计结构更加美观，在很大的程度上简化了外围电路的设计。
因此，利用现场可编程门阵列FPGA和D/A转换芯片来搭建波形发生模块，会使得设计更加灵活，输出波形更加能够适应实践的需求。
此外，FPGA芯片支持在线可编程，能随时根据设计需求，对系统进行在线升级，达到符合要求的最佳设计。
本设计的设计目标是根据任意波形发生器的特点以及应用情况设计出一种使用简单、性能优良的一款任意波形发生器，再结合新一代的高性能芯片，该器件能够产生三角波、正弦波、方波等任意常用的波形信号，甚至能够根据用户的需要生成任意波形。
该论文主要是研究基于FPGA技术下的如何确定任意波形发生器的设计方案，设计模块以及设计结构和系统设计，该如何解决实际操作的过程出现的波形失真等问题。
1.4主要研究工作及内容安排
第一章写绪论，阐述了课题的主要内容和和本设计要完成的目标，并分析了任意波形发生器的国内外发展现状。
第二章主要对直接数字频率合成技术（即DDS技术）的原理做理论分析，并且对DDS技术性能上的优点和缺点分别进行了说明。
第三章介绍了FPGA的整个设计结构并加以说明，并详细介绍了FPGA的发展历史背景及优点。
第四章制定了整个系统的设计流程，分别从不同模块分析了整个设计的详细流程。
第五章为整个设计作总结，对整个论文工作作总结，并指出今后的努力方向。
第二章直接数字频率合成器原理及性能分析
2.1直接数字频率合成技术的基本原理
首先，直接数字频率合成（DirectDigitalSynthesizer）电路的实现是整个电路系统设计的关键。
直接数字频率合成电路工作时第一步对需要的波形进行采样，将采样数值存入波形存储器作为查找表，然后经过查找表把数据读出来，再经过D/A转换器将数字信号转化成为模拟信号，并通过低通滤波器将DAC转换器输出的阶梯波转换成光滑的连续信号，最后把存入的数据重新合成出来。
直接数字频率合成电路的基本结构一般包括以下几部分：
相位累加器、波形存储器ROM、数模转换器DAC以及低通滤波器等。
直接数字频率合成器原理结构框图如图2-1所示。
频率
控制字N
寄存器
ROM
查找表
M
DAC
相位控制字P
正弦或其他信号
相位调制器
系统时钟clk
相位累加器
K
图
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