基于FPGA的数字信号发生器设计

I基于FPGA的数字信号发生器设计作者：杨家兴（陕西理工学院物电学院电子通信1104班，陕西汉中723000）指导教师：薛转花[摘要]数字信号发生器是数字信号处理中不可缺少的调试设备，在生产生活中的应用非常广泛。本文所设计的内容就是基于Altera公司的现场可编程门阵列（FPGA）实现数字信号发生器的设计,本设计中应用VHDL硬件描述语言进行描述，使该数字信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波四个独立的波形。[关键词]：数字波形发生器；FPGA；VHDLDesignOfFPGA-basedDigitalSignalGeneratorAuthor:YangJiaxing(Garde11class4MajorCommunicationengineering,SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineering,ShaanxiUniversityofTelechnology,shaanxihanzhong723000)Tutor:XueZhuanhua[Abstract]Digitalsignaltransmitterasatestfacilityisanimportantpartofinformationprocessingsystem.Intheproductionofawiderangeofapplicationoflife.ThiscontentisdesignedbyAltera,basedonfieldprogrammablegatearray(FPGA)designofdigitalsignalgenerator,thedesignoftheapplicationofVHDLhardwaredescriptionlanguagetodescribe,sothatthedigitalsignalgeneratorcanproducesine,square,triangle,sawtoothwaveformsoffourindependent.[Keywords]：DigitalWaveformGenerator;FPGA;VHDL目录II第一章绪论...............................................31.1背景与意义..........................................31.2国内外发展现状.......................................3第二章相关资料............................................42.1FPGA简介............................................42.3VHDL简介............................................52.4QuartusⅡ简介........................................6第三章系统软件设计........................................73.1软件系统流程图.......................................73.2数字信号发生器的软件设计.............................83.2.1主控制模块......................................83.2.2波形数据产生模块................................9结束语....................................................12致谢......................................................12参考文献..................................................12附录.....................................................13基于FPGA的数字信号发生器设计31.绪论1.1背景与意义在电子技术领域，常常需要波形、频率、幅度都可调的电信号，用于产生这种电信号的电子仪器称作信号发生器。信号发生器是一种常用的信号源，广泛运用于科学研究、生产实践和教学试验等领域。特别是在通信系统的科研实验中，常常需要用到不同频率和幅度的信号，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是运用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。传统的波形发生器多采用模拟分立元件实现，产生的波形种类要受到电路硬件的限制，体积大、灵活性和稳定性也相对较差。近年来，以数字技术为基础的数字信号发生器得到了飞速的发展，性能指标都达到了一个新的水平。现场可编程门阵列器件具有容量大、运算速度快、现场可编程等优点，使得许多复杂的电路有了新的实现途径，越来越被广泛地应用到实际系统中。而且随着当今电子系统的越来越复杂，毫无疑问，数字信号发生器正在成为模拟复杂信号的事实标准。凡是能产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表进行测量的参数。信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输出数字码形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。1.2国内外发展现状采用可变时钟和计数器寻址波形存储器的任意波形发生器[4]在一段时期内曾得到广泛的应用，其取样时钟频率较高且可调节，然而这种波形发生器对硬件要求比较高，需要高性能的锁相环和截止频率可调的低通滤波器，且频率分辨率低，频率切换速度较慢，已经逐步退出市场。目前市场上的数字信号发生器主要采用直接数字合成（DirectDigitalSynthesuzer，DDS）技术，这种波形发生器不仅可以产生可变频的载频信号、各种调制信号，同时还能和计算机配合产生用户自定义的有限带宽的任意信号，可以为多领域的测试提供宽带宽、高分辨率的测试信号。从目前发展状况来看，国外数字信号发生器的研制和生产技术已经较为成熟。以安捷伦（Agilent）和泰克（Tektronix）为代表的国际电子测量仪器公司在此领域进行了卓有成效的研究和开发，其产品无论在技术上还是市场占有率方面在国际上都享有盛誉，但其价格也相当昂贵，高端型号每台价格都在几万美金左右，低端的也要几万人民币。Tektronix公司的独立结构任意波形发生器AFG3000系列功能完善，人机界面友好，操作方便，可以以多种方式连接到PC机上，其最高采样率能达到2GS/s，输出正弦信号最高频率为240MHz，任意波频率最高能达到50MHz，并配备的强大的波形编辑软件ArbExpress，用户可以方便地创建和编辑自己的波形。Agilent公司的PXI模块任意波形发生器采样率已经能达到1.25GS/s，最高输出频率500MHz。我国研制任意波形发生器是从上世纪90年代开始的，近年来有一批本土厂商奋起直追，取得了可喜的成果。例如南京盛普科技电子有限公司的SPF120型信号发生器的主波输出频率达到了120MHz，任意波最高频率为100KHz；北京普源精电科技有限公司（RIGOL）生产的DG1000/2000/3000系列任意波形发生器，在性能上已经大略相当于国外中低端产品。本课题的主要研究内容是参考直接数字频率合成原理（DDS）技术[6]，利用QuartusII9.0基于FPGA的数字信号发生器设计4软件作为平台，VHDL语言作为开发语言，基于FPGA配合相应外围电路实现一个数字信号发生器，其电路结构简单，容易扩展，具有极大的灵活性和方便性，实现了产生频率、幅度可调的正弦波、三角波、方波、锯齿波信号的信号发生器。2.相关资料2.1FPGA简介数字集成电路从产生到现在，经过了早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，到大规模、超大规模集成电路（VLSIC）以及许多既有特定功能的专用集成电路的发展过程。但是，随着为电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ApplicationSpecialIntegratedCircuit,ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FieldProgrammableLogicDevice,FPLD）,其中应用最广泛的当属CPLD和FPGA[1]。CPLD是复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice）的简称，FPGA是现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray）的简称。两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，但有时可以忽略这两者的区别。不同厂家对可编程逻辑器件的叫法也不尽相同。Altera公司把自己的可编程逻辑器件产品中的MAX系列（乘积项技术，EEPROM技术）、FLEX系列（查找表技术，SRAM工艺）都叫做CPLD；而把也是SRAM工艺、基于查找表技术、要外挂配置用的FLEX系列的EPROM叫做FPGA。早期的可编程逻辑器件都属于低密度PLD（ProgrammableLogicDevice），结构简单，设计灵活，但规模小，难以实现复杂的逻辑功能。1985年Xilinx公司首先推出了现场可编程门阵列FPGA，这是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作，其结构和阵列型PLD不同，内部由许多独立的可编程模块组成，逻辑模块之间可以灵活地相互连接，具有密度高、编程速度快，设计灵活和可再配置设计能力等许多优点。FPGA一般由6部分组成，分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。每个单元简介如下：（1）可编程输入/输出单元（I/O单元）。目前大多数FPGA的I/O单元被设计为可编程模式，即通过软件的灵活配置，可适应不同的电气标准与I/O物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等；（2）基本可编程逻辑单元。FPGA的基本可编程逻辑单元是由查找表（LUT）和寄存器（Register）组成的，查找表完成纯组合逻辑功能。FPGA内部寄存器可配置为带同步/异步复位和置位、时钟使能的触发器，也可以配置成为锁存器。FPGA一般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找表，但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。（3）嵌入式块RAM。目前大多数FPGA都有内嵌的块RAM。嵌入式块RAM可以配置为单端口RAM、双端口RAM、伪双端口RAM、CAM、FIFO等存储结构。（4）丰富的布线资源。布线资源连通FPGA内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。布线资源的划分：A全局性的专用布线资源：以完成器件内部的全局时钟和全局复位/置位的布线；B长线资源：用以完成器件Bank间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号的布线；C短线资源：用来完成基本逻辑单元间的逻辑互连与布线；D其他：在逻辑单元内部还有着各种布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。基于