基于FPGA的任意波形发生器设计.doc

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1、基于FPGA的任意波形发生器设计与研究摘要：在此基于DDS技术进行任意波形发生器的研制。以单片机为控制核心，采用FPGA芯片EP1C3T144C8，通过使用相位累加器和波形ROM等模块实现DDS功能，可产生正弦波、方波、三角渡与锯齿波等常规波形，而且能够产生任意波形，并通过键盘一一对应波形，从而满足研究的需要。最后给出系统产生的测试数据，并对影响频谱纯度的杂散与噪声产生的原因进行分析。关键词：FPGA；DDS；任意波形发生器；杂散引言   任意波形发生器(ArbitraryWaveformGenerator，AWG)是一种多波型的信号发生器，它不仅能产生正弦波、指数波等

2、常规波形，也可以表现出载波调制的多样化，如：产生调频、调幅、调相和脉冲调制等。更可以通过计算机软件实现波形的编辑，从而生成用户所需要的各种任意波形。任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA输出、可变时钟计数器寻址和直接数字频率合成(DDS)等多种方式。目前任意波形发生器的研制主要基于DDS技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在通信、测量与电子仪器领域，是设备全数字化的一个关键技术。1任意波形发生器的理论分析1．1DDS技术简介  DDS(DirectDigitalSynthesis)的概念由美国学者J．

3、Tierney、C．M．Rader和B．Gold在1971年提出。该技术是从相位的概念进行频率合成，主要优点是输出相位连续、相对带宽较大、频率分辨率很高、可编程、准确度和稳定度都比较高。DDS技术是利用查表法来产生波形，而通过修改存储在ROM里的数据，就可以产生任意波形。1．2DDS基本结构   DDS主要有相位累加器、ROM波形查询表、数模转换器组成。其基本框图如图1所示。   线性数字信号通过相位累加器逐级实现，波形函数存储在ROM中，根据累加器输出的相位值作为地址，寻找存储在ROM中的波形函数的幅度量化值，完成相位到幅值的转换，输出相对应的序列。2硬件电路设计2．

4、1设计方案   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。系统框图如图2所示。2．2D／A转换器的使用   本案采用德州仪器的TLC7528。它是双路、8位D／A转换器，本案设计为：A路的数字量控制B路的电压输出，B路则控制输出的幅度。电路图可以显示，VA1(VOB1)处输入的A(B)路电压范围为-5～0V，VA2(VOB2)处为A(B)路的电压为-5～5V。DA电路连接图如图3所示。   其中因为转换方法的问题，产生的零

5、点误差可以通过调整放大器的零点来校准；而因为温度变化产生的温漂误差在技术上就比较难消除。关于单极性DAC的增益误差可以通过调整放大器的闭环增益来消除2．3滤波器的设计   一般情况下，椭圆滤波器的参数灵敏度最高，在使用用相同阶数时，椭圆滤波器能够得到最好的矩形系数，7阶椭圆滤波器在通带附近的频点可得到40dB的带外抑制，很适合将杂散信号滤除。DDS输出的另一类波形是频谱复杂的任意波形，频率比较低，频谱结构丰富，具有较高的谐波分量，选用等波纹误差线性相位滤波器来滤波，它在很大范围内具有固定的延迟，在远离截止频率处，其幅度响应也比较好。2．4单片机的设计   单片机采用传统

6、8051单片机，晶振为12MHz，采用内部振荡方式；复位输入引脚为高电平有效，保持2个机器周期以上的的高电平便可以实现对单片机的复位；采用MAX232芯片作为串口芯片，单片机通过异步通信串行接口与其他计算机或者外围设备进行信息传递。3基于FPGA的DDS实现   FPGA芯片采用ALTERA公司的CYCLONE系列EP1C3T144C8。设计采用Altera公司的QuartosⅡ，使用AS方式与JTAG配置方式。3．1固定波形输出   本案使用几个8b的ROM，存储深度为1024点，用来存储正弦波等波形数据。每个波形数据存储在一个固定的ROM里，如图4Sine_ROM，

7、Square_ROM等分别对应正弦、方波等存储模块。通过一个使能模块控制，采取低电平有效的方式，选择性读取任意模块的波形。输出波形时，仅有单独一个ROM工作，其他模块为高电平，保证输出所需固定波形。使能模块的输入端为行列式键盘，设定为：单键控制某一波形输出。3．2任意波形输出  任意波形是由上位机下传的波形数据，由单片机控制，必须设计一个能随时接受数据更新的RAM。如图5所示。   选用的D／A转换器为8位，所以RAM的字长也为8位，因此波形RAM的地址线的位数取10位。为了实现任意波形数据的更新，波形RAM设计成为双口RAM。4性能与误