基于FPGA的任意波形发生器设计

基于FPGA的任意波形发生器设计指导老师：李剑锋贾恒龙060220305什么是任意波形发生器（AWG）生成标准的波形正弦，方波，三角波，脉冲波调制波，脉冲串生成和重现“实际环境”信号不规则信号，如毛刺、偏移、噪声等为什么使用任意波形发生器（AWG）充分地模拟各种波形情况包括电平特性，频率特性，噪声特性等等，测试产品的性能。还原实际环境中的波形，降低实验的风险和开发的成本。任意波形发生器的三种基本原理特点及比较直接模拟合成锁相环合成（PLL）直接数字合成（DirectDigitalSynthesizer）三种原理的列表比较选用DDS的原因——DDS的工作特点及优点：1、极高的频率分辨率2、极快的频率切换速度3、易于实现各种数字调制4、连续的相位变化5、较低的相位噪声和低漂移6、集成度高关于设计此任意波形发生器的预期目标不仅可以生成方波、三角波、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形，同时输出波形的频率和幅度均可编程控制。基于DDS技术选择的实施方案方案一：使用DDS专用芯片作为核心器件，用单片机与FPGA联合构成控制模块此方案的优点是易于控制，因为DDS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，有理想的波形质量。但是，专用的DDS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，无法灵活的实现任意波形的输出，同时DDS芯片加单片机的设计模式使硬件电路相对复杂。基于DDS技术选择的实施方案方案二：基于FPGA实现DDS功能，通过单片机实现控制。此方案的核心在于FPGA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形。单片机作为控制器，易于控制与调试。此方案的优点是通过FPGA构建DDS，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：系统框图原理详解如图所示，分为上位机（PC）和下位机（MCU）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数据，实现波形的采样合成。再由D／A转换、低通滤波，调理单元输出所需信号波形。下位机亦可以通过USB2.O通用串行总线与上位PC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PC机单独使用时，选择波形的种类、编辑任意波、设置频率等。单片机主要完成以下三个方向的任务：(1)根据键盘设置的波形和频率，完成波形的选择、编辑，并产生相应的频率控制字送FPGA。(2)将输出信号的频率送数码管显示。(3)与USB接口芯片实现USB接口电路并与上位PC机通信。主要要完成的工作：1）基于FPGA的DDS实现首先熟悉QuartusII开发环境，其次对确定FPGA的型号并对配置方式做简单分析。2）电源设计：在本电路板中，由于不同器件的工作电压不同，我们采用三端稳压器78M05、LMll7-1．5和LMll7-3.3的搭配满足各器件要求。因为串口芯片、单片机、AD转换器与DA转换器等器件的工作电压一般在5V；而FPGA的IO端口、时钟芯片、静态存储器等器件的工作电压一般在3.3V；FPGA的内核电压为1.5V。所以实现不同电压输出，才能保证各器件正常工作。3）数模转换设计在系统中，波形的幅度值被量化成数字值存储在ROM中，通过一组数据线输出代表二进制编码的电平信号。为了将数字信号转换成模拟信号，需要用到数／模转换器，简称DAC(Digital．AnalogConverter)。为了数据处理结果的准确性，转换器必须有足够的转换精度，同时为了能够在较高频率下工作，它必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度是衡量DA转换器性能优劣的主要标准。目前常见的DA转换器中，有权电阻网络DA转换器，倒梯形电阻网络DA换器，权电阻网络DA转换器，倒梯形电阻DA网络转换器，权电流型DA转换器，权电容型网络DA转换器以及开关树型DA转换器几个类型。4）滤波器设计典型的模拟滤波器有巴特沃斯(Butterworth)滤波器、切比雪夫(Chcbyshcv)滤波器、贝塞尔(Scsscl)滤波器和椭I圜(Ellipsc)滤波器。这几种低通滤波器都有各自的幅频特性。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。巴特沃斯滤波器的响应最为平坦，它的通带内没有波纹，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大，缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱，过渡带不够陡峭。切比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个土限值之间做等起伏变化，阻带内衰减单调增大，通带或组带有波动，但过渡带比较陡峭。贝塞尔滤波器通带内有较好的线性相位持性。椭圆函数滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。5）A／D转换器本设计采用AD转换器主要考虑到可以进行信号数据的输入，以各种便捷的形式，为任意波形的输出创造条件。模数转换器的主要参数同样有转换精度和转换速度的要求。而常见的模数转换器有并行模数转换器、逐次逼近型模数转换器和双斜积分式模数转换器这三类。6）接口电路设计因为输入信号的引脚使用TREFB、REFBS、REFTS、VDDA和地线。所以可用跳线帽改变输入的信号电压。JAl接通，JA2断开时，输入电压范围为O一2．28V。JAl和JA2用跳接通时，输入的信号电压范围为0—5V，断开时为0．61V一2．6V。7）单片机与接口设计单片机全称是单片微型计算机，又称作微控制器(Mieroeontroller)，是微型计算机的一个重要分支，特别适用于控制领域。一般单片机是又单块的集成电路芯片构成，内部包含了基本功能部件：CPU、存储器、170接口、定时器／计数器、中断系统等。由于集成电路的进步，片内甚至会继承HSO、HIS、ADC等“片内外设等特殊功能部件。随着单片机功能的增强，它的应用也日益广泛。它可以配用打印机、绘图仪显示器等外围设计，而且可以联网。8）键盘与显示电路在编辑波形时，可以采用键盘来控制参数。利用单片机的P1．0口的8个端口可以扩展一个4X4的键盘，可以大大方便频率与相位的输入，也使编程得到了简化，控制更为便捷。LED电路配合按键，起到显示功能。按键的变化实时的在LED上得到表现。谢谢欣赏2010年3月26日