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1、11第一章 绪论代号分类号学号密级10701TP216+.1公开0611420822题（中、英文）目基于FPGA的任意波形发生器的设计与实现Design and Realization of the Arbitrary WaveformGenerator Based on FPGA作者姓名 指导教师姓名、职务 教授学科门类工学提交论文日期二九年一月学科、专业电路与系统摘要任意波形发生器是不断发展的数字信号处理技术和大规模集成电路工艺蕴育出来的一种新型测量仪器，能够满足人们对各种复杂信号或特殊信号的需求，代表了信号源的发展方向。可编程门阵列（FPGA）具有高集成度、高速度、可重构等特性。使用FP
2、GA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减小印制电路板的面积，提高系统的可靠性和灵活性。本课题将DDS、USB接口和虚拟仪器技术有机地结合在一起，以FPGA为硬件基础，通过系统硬件电路设计、逻辑设计和软件设计，实现了一款基于FPGA的低成本、便携式、可扩展的即插即用任意波形发生器。本文系统的分析了DDS技术的基本组成、工作原理及其输出信号的频谱特性，给出了改善合成信号频谱纯度的方法，为任意波形发生器的设计与实现提供了理论指导。本课题从总体上规划了任意波形发生器的硬件结构，结合DDS输出信号的频谱特性，设计了两种滤波器对信号进行滤波处理，并开发了硬件平台。以Quartus II软件作为开发工具
3、，对Cyclone II 系列FPGA芯片EP2C5Q208C8实现的DDS结构中的数字部分及该部分与USB接口进行了设计，并实现了波形的调幅、调频及多种数字调制。在此基础上，使用当前流行的虚拟仪器设计软件LabWindows/CVI，利用计算机强大的计算和显示功能，设计了任意波形发生器的操作面板。通过在操作面板上选择正弦波、方波、三角波、锯齿波、白噪声等常规波形或者手动绘制任意波形，并设置波形参数，进而控制硬件系统产生相应波形信号，充分体现了任意波形发生器的“任意性”。通过测试，证明本任意波形发生器达到了预期的设计要求。关键词： 直接频率合成 可编程门阵列 通用串行总线 虚拟仪器Abstra
4、ctWith the unceasing development of digital signal processing technique and VLSI technology, a new measure instrumentarbitrary waveform generator (AWG) comes into being. AWG can meet the desire of complicated and special signal, which represents the developing direction of signal sources. Field prog
5、rammable gate array (FPGA) has the features of large scale integration, high working frequency and reconfiguration. It can greatly shorten design period, reduce the size of printed circuit board (PCB) and improve system reliability and flexibility to design digital circuit by use of FPGA. By combini
6、ng direct frequency synthesis (DDS), universal serial bus (USB) and virtual instrument effectively, a low cost, portable and extensible AWG based on FPGA has been realized. The main contents consist of hardware design, logic design and software design are outlined as follows.The thesis systematicall
7、y introduces the composition and working principle of DDS, analyzes the spectrum characteristics of its output, and gives the methods of reducing the noise, which presents the theoretical guidance for design and realization of AWG. The structure of AWG is planned from the overall and the circuit is
8、presented. Considering the spectrum characteristics of DDSs output, two kinds of filters are designed to filter signals unwanted. The digital part in DDS and its interface with USB are designed on the Cyclone II FPGA chip EP2C5Q208C8 with Quartus II. This digital part can realize amplitude modulatio
9、n (AM), frequency modulation (FM) and several kinds of digital modulation. On this basis, taking advantage of PCs powerful calculation and displaying capability, we design the operation panel of AWG with LabWindows/CVI. On the panel user can choose conventional waves such as sine wave, square wave,
10、triangle wave, sawtooth wave, white noise ect., or draw waves by hand, and set wave parameters to control instrunment generate corresponding waveform, which embodies the “arbitrary” character of AWG. The result of experimentation proves that this AWG has attained the desire of design.Keywords： DDS F
11、PGA USB Virtual Instrument目录第一章 绪论11.1 引言11.2 任意波形发生器的功能21.3 国内外发展现状31.4 课题研究目标41.5 主要研究工作及论文内容安排5第二章 任意波形发生器的理论分析72.1 频率合成技术及性能指标72.2 DDS原理分析102.2.1 DDS基本结构102.2.2 DDS原理122.2.3 DDS技术特点162.3 DDS输出特性172.3.1 理想情况下DDS的频谱特性182.3.2 非理想情况下DDS的频谱特性202.4 DDS杂散抑制方法25第三章 任意波形发生器的硬件电路设计273.1 系统设计方案273.2 系统总体结构
12、273.3 功能模块设计283.3.1 FPGA电路283.3.2 D/A转换电路313.3.3 滤波器的设计333.3.4 放大衰减及直流偏置电路373.3.5 外部接口电路403.3.6 电源电路433.4 印制电路板的设计43第四章 FPGA逻辑设计454.1 FPGA及其开发环境简介454.1.1 现场可编程门阵列简介454.1.2 Quartus II 7.1集成开发环境464.2 任意波形发生器的FPGA实现474.2.1 地址译码和控制数据寄存模块484.2.2 移位寄存器控制逻辑494.2.3 数字电位器控制逻辑504.2.4 相位累加器的设计514.2.5 波形存储器的设计5
13、24.3 任意波形调制器的研究544.3.1 幅度调制554.3.2 频率调制564.3.3 数字调制574.4 相位抖动注入技术的研究58第五章 任意波形发生器的软件设计595.1 系统软件结构595.2 固件程序设计595.2.1 功能分析605.2.2 固件程序结构605.2.3 固件程序开发615.3 USB设备驱动程序625.3.1 驱动程序的实现625.3.2 USB设备的访问635.4 用户应用程序635.4.1 开发平台LabWindows/CVI645.4.2 任意波形发生器软件界面645.4.3 波形数据的产生655.4.4 参数提取和数据发送68第六章 系统性能测试71第
14、七章 结论与展望75致谢77参考文献79研究成果815第一章 绪论第一章 绪论1.1 引言在电子技术领域，常需要波形、频率、幅度都可调节的电信号，用于产生这种电信号的电子测量仪器称作信号发生器。信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。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，也是应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。 从本质上看，测量是一个将客观物理量转换成测试信息量的变换过程1。当测试对象为系统性能参数时，通常采用如下测量方法：在测试系统中，系统参数的测量基于输入激励和输
15、出响应的对应关系，这种方法被称作“激励响应”法1，如图1.1所示。图1.1 参数测量系统模型框图采用“激励响应”方法进行系统参数测量时，需要产生已知的激励信号输入到被测系统，系统对激励信号输出相应的响应信号，通过对该响应的测定和分析找出被测系统的输入输出关系，从而定义系统的性能。由此我们可以看出，高质量激励信号的产生是系统参数测量中一个重要的环节，标准理想的输入激励是整个测试系统正确工作的基础，它从根本上影响测量系统的性能。自从上世纪40年代惠普为美国海军实验室开发出第一台信号发生开始，信号发生器一直随着电子技术、半导电技术和计算技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。从技术上看，信号发生器经历了由模拟信号发生器、数字信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程。发展到今天，信号发生器的种类已经多种多样，包括正弦信号发生器、脉冲发生器、函数发生器、扫描发生器、任意波形发生器等。按照应用范围又可分为专用信号发生器和通用信号发生器2。传统的信号发生器一般基于模拟技术。它首先生成一定频率的正弦信号，然后再对这个正弦信号进行处理，从而输出其他波形信号（例如通过比较
