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1、邵阳学院毕业设计（论文）1邵 阳 学 院毕业设计(论文)课 题 名 称 基于 EDA 技术的波形发生器设计 学 生 姓 名 学 号 系 、 专 业 信息与电气工程系电子信息工程专业 指 导 教 师 职 称 副 教 授 2007 年 5 月 10 日邵阳学院毕业设计（论文）2摘 要波形发生器是一种常用的测量仪器，广泛用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。文章在研究国内外波形发生器的基础上，提出了基于 FPGA 的波形发生器设计方案，并详细介绍了波形发生器的组成、电路设计和 VHDL 硬件描述。文章中的波形数据是从 Matlab 中获取，波形发生器的开发是基于 EDA 开发平台上，借助 Maxp
2、lus软件，实现了波形电路 VHDL 描述和仿真，最终通过硬件验证。文章中的程序和电路均通过验证，基于 Matlab 和 FPGA 的波形发生器的研究方法适用于开发任意波形发生器。关键词:波形发生器；可编程逻辑器件；Matlab；FPGA；EDA技术。AbstractThe profile generator is one kind of commonly used metering equipment, with wide application in the field of scientific research, manufacture and teaching. The articl
3、e in studying the domestic and foreign profiles generator in the foundation, proposed based on the FPGA profile generator design proposal, and in detail introduced the profile generator composition, the circuit design and the VHDL hardware description. In the article profile data is gains from Matla
4、b, the profile generator development is developed in the platform based on EDA. Also with the aid of Maxplus II software, the article had completed the electric circuit description and the simulation, finally throug hardware confirmation. In this article procedure and the electric circuit through th
5、e confirmation, the research techniques are suitable for the free profile generator.Key word: Profile generator; programmable logical component;Matlab; FPGA; EDA Technology.邵阳学院毕业设计（论文）3前 言波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于设计和测试、汽车制造、工业、生物医药、传感器仿真、制造模型实验等。传统的信号发生器采用模拟电路技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。它在电子信息、通信、工业等领域曾发挥
6、了很大的作用。但是采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A 以及相关硬件、软件构成的波形发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制 D/A,就可以得到各种简单波形。但由于微处理器的速度限制，这种方式的波形发生器分辨率较低，频率切换速度较慢。本设计拟订开发基于 Matlab 和 EDA 技术的波形发生器，它用高速存储器做查询表，通过数字形式存入的波形，再通过高速 D/A 转换器对存储器的波形
7、进行合成。只要改变 FPGA 中查找表数据就可以产生任意波形，因而具有相当大的灵活性。随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，同时这也对相应的测试仪器和测试手段提出了更高的要求，而波形发生器已成为测试仪器中至关重要的一类，因此在国内发展波形发生器具有重大意义和实际价值。例如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器(DSO)捕获的波形等。本课题的研究由我及李慧同学共同完成，本人主要利用 FPGA 产生波形进行仿真与测试，波形数据由来在李慧同学努力下实现的。由于我的能力和水平有
8、限，论文中肯定会有不妥之处和错误，恳请老师和同学提出批评和改进意见。邵阳学院毕业设计（论文）4第 1 章 波形发生器方案设计第 1.1 节 基于模拟电路波形发生器设计方案正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦波信号，输出单一频率的正弦波，是应用最广泛的振荡器。振荡器是由基本放大器和反馈网络，选频电路三大部分组成。自激振荡器无需外加激励就能产生特定小型的交流输出信号。如图 1.1为利用集成运放 RC 相移式正弦波振荡器的电路原理图。图 1.1 RC 正弦波振荡器图中的运放接成反相输入方式，输出与输入之间有 相移，通过 RC 相移网180o络之后，将产生 相移，满足自激的相位平衡条件。若适当
9、选择 Rf 值，满足自180o激的振幅条件，则将在输出端得到正弦波形。该振荡器频率及振幅条件由式（1-1）决定：， （1-0123fRC12f1）电路中的稳压管 Dz 起稳定幅值作用，当振幅超过稳压管的稳压电压时，稳压管被击穿，从而限制振幅继续增长。（1）选择 RC 参数的主要依据和条件 因为 RC 桥式振荡器的振荡频率是由 RC 网络决定的，所以选择 RC 的值时应该把已知振荡频率 作为主要依据。0f32 674A741C010D16.2v2N4861D01N914R111KC022nC022nC022nC022nC022nGND+12VR011kR111kR211k5kR2390GND 1
10、0 -12V正 弦 波 输 出邵阳学院毕业设计（论文）5 为了使选频网络的特性不受集成运算放大器输入和输出的电阻的影响，选择 R 时还应该考虑下列条件：Ri R 式中， 是集成运算放大器同相端输入电阻；ori是集成运算放大器的输出电阻。or第 1.2 节 基于 MCU 波形发生器设计方案波形的生成及对频率和相位的控制均由单片机编程实现。波形生成程序生成正弦波信号在一个周期内的波形数据，这些数据循环输出至 D/A 转换器，通过在输出数据指令之间插入 NOP 指令实现对频率的控制，原理框图如图 1.2 所示。图 1.2 以 MCU 实现方案原理图此方法产生的信号频率范围、步进值取决于所采用的每个周
11、期的输出点数及单片机执行指令的时间（与单片机的结构及选用的晶体振荡器等有关） 。此方案的优点是硬件电路简单，所用器件少，可相对容易地产生各种波形，在低频区基本上能实现所要求的功能；缺点是控制较复杂，精度不易满足，生成波形的频率范围小，特别是难以生成高频波形。例如，对输出信号频率 =20kHz 而言，因为移相分辨率为 ，则一个周期至maxf 1o少要采样 360 个点，即 MCU 发送波形幅度数据的速度 ，max3607.2cpcpffMHz即则前后发送 2 个波形幅度数据的时间间隔 ，但是 MCU 的指令执行周max0.138Ts期一般有几个 ，从而 MCU 发送信号一个周期的波形数据一般要几
12、十个 。故以s sMCU 为核心的实现方案难以产生高频波形。第 1.3 节 基于 DDS 技术波形发生器设计方案该方案采用DDS（Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成）技术产生数字式移相正弦波信号。信号生成主要由FPGA部分实现，FPGA部分主要包括相滤 波 器单片机 D/A 幅 度 控 制正 弦 波 信 号 输 出 AD/A 滤 波 器 幅 度 控 制正 弦 波 信 号 输 出 B邵阳学院毕业设计（论文）6位累加器和波形查找表（波形查找表由FPGA外部的存储器实现） 。DDS技术将输出波形的一个完整周期的幅度值都顺序地存放在波形存储器中，通过控制相位增量产生频率
13、、相位可控的波形。数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF）构成。如图1.3所示。图1.3 DDS原理框图其中K为频率控制字、P为相位控制字、W为波形控制字、 参考时钟频率，Ncf为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟的控制下以步长K作累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加cf后作为波形ROM 的地址，对波形ROM 进行寻址，波形ROM输出D 位的幅度S(n)经D/A转换器变成阶梯波S(t)，再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形，合成的信号波形形状取决于波形ROM存放的幅度码，因此用DD
14、S 可以生成任意波形。（1） 频率预置与调节电路K被称为频率控制字，也叫相位增量。DDS方程： ， 为输出频02NcfK0f率， 为频率时钟。当K=1时，DDS输出最低频率（也即频率分辨率）为 ，cf Nc而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，即 ，也就是说K的最大值为cf。因此，只要N足够大DDS可以得到很细的频率间隔。要改变 DDS的输出频21率，只要改变频率控制字K即可。每来一个时钟脉冲 ，加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，cf再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到加法器的输入端；以加法器在下一个时钟
15、作用下继续与频率控制字进行相加。这样，相位累加器在时钟的作用下进行相位累加。当相位累加器加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期的动作。（2） 控制相位的加法器通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数。令相位加法器的字长为频 率 控 制 字 K累 加 器 加 法 器 加 法 器 ROMD/ALPF相 位 控 制 字 P波 形 控 制 字 W参 考 信 号 FEN位 S(n)位 S(t)位邵阳学院毕业设计（论文）7N，当相位控制字有0跃变到P（P 0）时，波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和，因而其输出的幅度编码相位会增加 ，从而使最后输出的信2Np号产生相移。（3） 控制波形的加法器通过改变波形控制字W可以控制输出信号的波形。由于波形存储器中的不同波形是分块存储的，所以当波形控制字改变时，波形存储器的输入为改变相位后的地址与波形控制字W（波形地址）之和，从而使最后输出的信号产生相移。（4） 波形存储器有相位累加器输出的数据作为波形存储器的详细地址，进行波形的相位幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形的抽样幅值。N位寻址ROM 相当于把 的正弦信号离散成具有 个样值的幅度以D位二进制数值固化在ROM中，0o362N按照地址的不同可以输出相应相位的
