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1、基于FPGA和锁相环的信号发生器设计目 录摘 要1ABSTRACT2第一章 绪论31.1课题的背景和意义31.2国内外研究现状31.3论文主要工作内容4第二章 开发环境和相关技术52.1 FPGA52.2 VHDL语言52.3 Quartus设计平台6第三章 总体方案设计63.1任意波形发生器简介63.2设计方案分析73.2系统总体设计7第四章 基于FPGA和锁相环的任意波形发生器的设计84.1 FPGA的开发流程84.2 锁相环模块设计94.2.1锁相环的基本原理94.2.2 锁相环设计94.3 数字分频器模块104.3.1分频器简介104.3.2 分频器设计104.3.1仿真结果114.4
2、 相位计数器模块114.4.1计数器简介114.4.2相位计数器设计124.4.3仿真结果124.5 波形发生模块124.5.1 波形发生器工作原理124.5.2设计步骤124.6波形选择模块144.6.1数据选择器简介144.6.2波形选择模块设计144.6.3仿真结果154.7顶层图及仿真154.8 D/A转换模块174.8.1DAC芯片简介174.8.2DAC芯片与FPGA的连接18第5章 硬件配置185.1 FPGA的配置185.2 JTAG配置18第6章 总结及展望196.1 总结196.2 工作展望19参考文献1附 录2致 谢5摘 要 信号发生器是广泛应用于电子测量和科学研究实验中
3、的通用信号源，随着现代测量和现代通信技术的发展，越来越需要有高稳定度、高纯度的信号源。而锁相频率合成器技术的提出和大规模可编程逻辑器件的发展为新一代函数信号发生器的设计与实现提供了理论依据和技术支持。本文主要讲述了如何通过锁相环与FPGA来设计频率及幅度都可调的信号发生器。通过对实现这种技术的方案进行比较，本文选择以Altera公司的Cyclone系列芯片EP3C40F48417为核心，以硬件描述语言VHDL为开发语言，设计了一款可以产生正弦波、三角波、锯齿波和方波的函数信号发生器，四种信号之间可以随意切换，并且输出波形的频率和幅度都可以调节。论文详细阐述了在Quartus环境中利用VHDL语
4、言设计函数发生器的过程，并给出了相应的仿真结果和测试结果。实验表明，采用锁相环与FPGA设计函数信号发生器的设计方案是切实可行的，并且所设计的函数信号发生器具有频率稳定性高、体积小、成本功耗低等优点，是函数信号发生器未来的发展方向。关键词 信号发生器 锁相环 FPGA VHDLABSTRACTSignal generator is widely used in electronic measurement and scientific research experiments of general source. With modern measurement and modern commu
5、nications technology development, More and more needs a high degree of stability and high purity source. But phase-locked frequency synthesizer technology was proposed and large-scale programmable logic devices for the new generation of the development of function signal generator provides the desig
6、n and implementation of the theory and technology support. This paper mainly introduces how to pass and phase lock loop and FPGA to design frequency and amplitude are adjustable signal generator. Based on the scheme to realizing this technology comparison, This article chooses to Cyclone series of A
7、ltera company EP3C40F48417 as core chip, Hardware description language VHDL language for development, Design a new can produce sine wave, triangle wave, the sawtooth wave and square-wave function signal generator, Four kinds of signal switching between can freely. Paper detailed presents using VHDL
8、language design function generator process in Quartus environment .and given the corresponding simulation results and test results. Experiments show that, Using phase locked loop and the FPGA design function signal generator design scheme is feasible, And the design of the function signal generator
9、has high frequency stability, small volume, low power dissipation cost advantages, Is function signal generator future development direction.Key words: Function generator; Phase-locked loop; FPGA; VHDL第一章 绪论1.1 课题的背景和意义 函数信号发生器是广泛应用于系统检测调试、自动测量控制和教学实验等领域的多波形信号源，它可以产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形，由于其输出的波形均可用数学
10、函数描述，故命名为函数信号发生器。函数信号发生器在工业生产、产品开发、科学研究等实验测试中起着十分重要的作用，除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于生物医学等各个领域的测试. 随着电子技术的不断发展与进步，现代的电子测量、通信系统越来越需要有高精度和灵活的信号发生器进行测量和调试。原有的信号发生器的性能己经难以满足现在的要求，现在不仅要求能产生标准的波形，而且要求函数发生器的输出波形质量好，输出频率范围宽，频率转换速度快并且频率转换时波形的相位需要连续。为了适应现代电子技术的发展和市场要求，研究制作高性能的函数信号发生器则具有重大的意义。虽然现在各大芯片制造商都推出了采用先进CMOS
11、工艺生产的高性能专用直接数字频率合成 (DDS)芯片，为电路设计者提供了多种选择，但专用的DDS芯片的局限性在于其价格昂贵，不易扩展。目前，大规模可编程逻辑器件(PLD)得到越来越广泛的应用，其强大的功能也逐步从各种器件中显露出来。如今的可编程器件在其自身功能愈加强大的同时，更使系统趋于小型化，高集成度和高可靠性。与此同时，器件所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得系统设计周期大大缩短，降低了设计费用和设计风险，极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。其中现场可编程门阵列(FPGA)编程灵活、应用范围广，而且逻辑功能较复杂的小型系统可以在一片FPGA中实现。由于FPGA实现DDS
12、技术在一些方面存在着DDS芯片不能取代的优势，并且可以实现多个DDS芯片的功能，除了能满足用户对特殊功能的要求外，还可以在器件选择上有更大的选择余地，所以本文提出基于FPGA实现采用直接数字频率合成技术实现可编程函数信号发生器的实现方案，并给出了详细的设计方法。本课题的意义在于将FPGA可编程的特性与锁相环技术精确和快速的特性有机地结合起来，既实现了函数信号发生器的灵活配置，减小体积，有效地降低开发的成本，又可以实现函数信号发生器的输出频率、相位和幅度在数字处理器的控制下精确而快速地变换。在我国，高精度的标准信号源产品较少并且产品落后，可靠性较差，并且研究起步较晚，与国外发达国家比较水平差距比
13、较大，所以现在研究基于直接数字频率合成技术与FPGA相结合的函数发生器并且研制出相关的产品将对我国国防、科研、教育起到深远的意义。1.2国内外研究现状函数信号发生器按工作原理可分为：调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器。早期的调谐信号发生器采用的是模拟电子技术，由调谐振荡器和调幅放大器加上一些指示电路构成，仅能产生正弦波、三角波、方波等几种简单的波形，其电路结构复杂、尺寸大且功耗大，并且频率不高，由于模拟电路温漂大而使得其波形稳定性差，且难以产生精准的频率信号，不易调试。锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号频率的信号发生器。这种信号发生器频率精度和稳定度高，但快速切
14、换频率比较困难，同时输出信号的频率分辨率较差。合成信号发生器常用三种方法进行频率的合成。第一种为直接频率合成，是利用单个或多个不同频率的晶体管振荡器作为基准信号源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多离散频率的输出信号。第二种是锁相频率合成器，是基于锁相环的.同步原理，由数字鉴相器、分频器加模拟环路滤波和压控振荡器间接产生所需频率输出的一种技术。第三种为直接数字频率合成技术，是一种基于全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术，不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，并能以此方法产生任意波形。随着数字集成电路和微电子技术的发展，现代的函数发生器尽可能多的采
15、用直接数字频率合成(DDS)的方法产生所需要的波形。直接数字频率合成是由J.Tierney和C.M.Rader于1971年提出的技术，其主要优点是它的输出频率、相位和幅度能够在数字处理器的控制下精确而快速地变换，并且相位变化连续，易于集成和调整。采用DDS技术的函数信号发生器由于灵活而成为软件无线电理想的信号发生器，而且用来处理信号的数字电路不会因为热飘移、老化和元件的变化而受影响，支持快速频率切换，是函数信号发生器发展的方向。基于DDS的函数发生器现在不仅可以执行函数发生器的功能，还可以执行任意函数发生器的功能，这将给传统测试方案带来一次革命。在当前数字领域中，大多数新型函数发生器正采用DDS这一种新技术，如美国的Agilent、Tektronix、Keithley，还有台湾的固纬等都在积极采用这一技术制造新式的函数信号发生器。例如Agilent的33220A，它能产生17种波形，最高频率可达到20MHZ，分辨率为1HZ，并且能够通过USB、LAN和GPIB进行配置，波形形成的操作性很好。目前我国研制的函数信号发生器取得了一定的成果，但总的来说，我国函数信号发生器还没
