电子测量技术论文－电子测量课程论文（设计）电子测量课程论文（设计）课程论文
题目
基于 FPGA 的信号发生器
学专班学姓
院业级号名
摘要
本次设计课题为应用 VHDL 语言及 MAX+PLUS II 软件提供的原理图输入设 计功能，结合电子线路的设计加以完成一个可应用于数字系统开发或实验时 做输入脉冲信号或基准脉冲信号用的信号发生器， 它具结构紧凑， 性能稳定， 设计结构灵活，方便进行多功能组合的特点，经济实用，成本低廉。具有产 生三种基本波形脉冲信号（正弦波、矩形波和三角波） ，以及三次（及三次以 下）谐波与基波的线性组合脉冲波形输出，且单脉冲输出脉宽及连续脉冲输 出频率可调，范围从 100HZ 到 1kHZ,步进为 100HZ；幅度可调，从 0 到 5 伏， 步进为 0.1V。
关键词：信号发生器， FPGA，EDA，VHDL 语言。 关键词
设计方案
总体设计思路
1 设计步骤 此设计将按模块式实现， 据任务书要求， 设计总共分四大步份完成： 产生波形 （1） （三 种波形：方波、三角波和矩形波）信号； （2）波形组合； （3）频率控制； （4）幅度控制。
2 设计思想 利用 VHDL 编程，依据基本数字电路模块原理进行整合。系统各部分所需工作时钟信 号由输入系统时钟信号经分频得到， 系统时钟输入端应满足输入脉冲信号的要求。 组合波 形信号经显示模块输出。具备幅度和频率可调功能，幅度可通过电位器调整，频率控制模 块则是一个简易的计数器， 控制步径为 100HZ 的可调频率， 最终送至脉冲发生模块输出脉 冲信号， 达到设计课题所要求的输出波形频率可调及幅度可调功能。 幅度可调功能由于比 较简单，可以在 FPGA 外部利用硬件电路实现。总体设计框图如下图 1 所示： 控 制 电 路
波、方波、三角波信号产生模块
波形组合模块
输出电路
波电路
100HZ~1KHZ 频率控制 模块/计数 器模块
1KHZ
FPGA
幅度控制/电位 器
图 1 总体设计框图
方案论证
方案一采用 DDS（直接数字频率合成器）来设计，设计总体框图如图 2 所示。在设计界里众 所周知，DDS 器件采用高速数字电路和高速 D/A 转换技术，具有频率转换时间短、频率分 辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程控切换等优点，所以，我们可以利 用 DDS 具有很好的相位控制和幅度控制功能，另外其数据采样功能也是极具精确和完善 的，它可以产生较为精确的任何有规则波形信号，可以实现对信号进行全数字式调制。用 FPGA 和 DDS 实现信号调制，既克服了传统的方法实现带来的缺点，若采用它来编程设计， 必定会事半功倍，且使设计趋于理想状态。但鉴于 DDS 的占用 RAM 空间较大，我们设计是 采用 FPGA10K10 器件，总共只有一万门的逻辑门数量，而整个 DDS 设计下来，大概最少会 占用 3-4 万门的数量， 所以在性价比方面不合理， 这样也使得我们的设计会有些不切实际。 频率控制字 相位累加 器 ROM D/A 变换 低通 滤波 信号输出
时钟
图 2 DDS 与 FPGA 总体设计图
方案二采用震荡器频率合成方案。具体方案如下：首先通过频率合成技术产生所需要频率的方波，通过积分电路就可以得到同频率的三角波，再经过滤波器就可以得到正弦波。其优点是工作频率可望做得很高，也可以达到很高的频率分辨率；缺点是使用的滤波器要求通带可变，实现很难，高低频率比不可能做得很高。
方案三
采用 VHDL 语言来编程，然后下载文件到 FPGA 来实现。VHDL 语言是电子设计领域的 主流硬件描述语言,具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模 和描述， 从而大大降低了硬件设计任务， 提高了设计效率和可靠性,要比模拟电路快得多。 该方案是利用 FPGA 具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可 以像软件一样通过编程来修改， 极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性， 而且大大 缩短了系统的开发周期。
方案确定由上述三个方案对比，采用第三种方案：
通过 FPGA 软件扫描方式将波形数据读出传输给 DAC0832 产生波形输出。这种方法在 软、硬件电路设计上都简单，且与我们的设计思路紧密结合。 由于幅度控制部分在设计需要用到数字电子，这样有要经过 D/A 转换器再输出，必 将占用大量资源，造成不必要的开销。鉴于有设计经验的同学和老师的建议，采用一个电 位器代替，虽然精确度不够，但是也弥补了性价比方面的不足。 波形组合如果采用分开式模块实现，也必将导致占用大量的资源，而模块设计复 杂度提高，只要采用重复调用一个模块的设计方法，既可以降低资源的占用率，也使得设 计更加灵活且有针对性。此信号发生器的特点及功能集成度高，因采取整体模块式设计， 在此也考虑到实际应用中，万一 FPGA 的逻辑门数量不够，特准备了一套备用方案。 备用方案： 将波形数据存放在 6116RAM 中， 6116 的存储容量大， 且可重复使用， 虽用单片机在速度方面远不及 FPGA，但是这样是在出现上述状况后的最佳补偿方式。 综合测试结果
1．基波的输出波形如图 17 所示：
（1）方波
（2）正弦波
图 17 基波输出波形图
（3）三角波
2.谐波与基波叠加的输出波形 （1）正弦与其三次谐波的叠加，如图 18 与图 19 所示： 4A 1 f 2 (t ) = (sin ωt + sin 3ωt ) 3 π
f2(t) A
f 1 (t) 4 A /π
O
ωt
O
ωt
图 18
图 19
（2）我们观察到图 20D 的波形，它也混有二次谐波，但这二次谐波带有一定的相 移(图 20C)。同样地，当观察到图 21B 的波形，我们就知道它除了基波以外混有三次 谐波(见图 21A)。图 21D 的波形也混有三次谐波，并带有一定相移(图 21C)。
（A）
（B）
（C）
（D）
图 20 基波与二次谐波叠加
（A）
（B）
（C）
（D）
图 21 基波与三次谐波的叠加图
3．综合调试数据 （1）输出波形频率范围测试测试数据如下表 1 所示 : 单位：HZ 输出频率 正弦波 100 500 800 1K 100.03 500.06 800.5 1 000.2 方波 100.03 500.06 800.5 1 000.2
表1
预置频率
负载电阻三角波 100.03 500.06 800.5 1 000.2 （欧姆） 100 100 100 100
（2） 输出波形幅度范围测试，在频率为 100HZ-1KHZ 测得的输出幅度数据范围可以达到 0-5V 的要求。
总
结
通过此次设计，让我深深的感觉到自己所学知识真是非常的浅薄。面对电子技术日新月异的发展，利用 EDA 手段进行设计已成为不可阻挡的趋势。 相对于传统至底向上的设计 方式，自上而下的设计具有其显著的优越性。利用 EDA 设计软件辅助设计，方便快捷，减 少了错误率的产生， 缩短了产品的设计及上市周期， 既减轻了设计工作量又满足了商业利 益的需求。 在设计过程当中，遇到了软件操作不熟练，程序编写不规范等诸多问题，通过对问题 的总结分析得出,应用软件的主要功能必须熟练操作，才能提高工作效率，需要规范操作 的地方必须严格按照使用说明操作， 避免由于软件使用不当造成的错误产生。 程序的编写 格式必须规范，模块、端口以及信号变量的命名应当反映实际意义，缩进格式工整明了， 方便阅读理解，这样有利于程序的编写，有利于分析调试，也有利于程序的重复使用。 此次课题的设计已告一段落， 在这次毕业设计过程中需要用一些不曾学过的东西时， 就要 去有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己 见识，补充最新的专业知识，学会了一些编程方面的常用算法。作为一名电子专业的毕业 生，我将会继续在新技术的道路上不断钻研、开拓进取。相信通过此次设计的锻炼，我对 专业知
识和技能的掌握将更加牢靠，在今后的工作和学习中，必将使我受益匪浅，取得应有的优势。参考文献：参考文献： [1]潘松，黄继业. EDA 技术实用教程（第二版）. 北京科学出版社. 2005.2
[2]亿特科技 .CPLD/FPGA 应用系统设计与产品开发. 人民邮电出版社. 2005.7 [3]李辉.PLD 与数字系统设计. 西安电子科技大学出版社. 2005.5
[4]王志鹏，付丽琴. 可编程逻辑器件开发技术 MAX+PLUS II.北京国防工业出版 社.2005.3 [5]王道先.VHDL 电路设计技术. 北京国防工业出版社. 2004.1
[6] 赵不贿. 在系统可编程器件与开发技术. 机械工业出版社. 2001.6 [7] 曾繁泰. EDA 工程的理论与实践.电子工业出版社. 2004.5
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