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1、前言第 1 页 共 41 页前前 言言信号发生器是实验室的常用仪器之一，设计信号发生器具有实际应用的意义。而采用 FPGA 的方法设计信号发生器可以产生频率比较高的信号，例如频率为几M 的正弦波。通常正弦波产生的方法是采用 MCU+DDS 的方法，但是由于 DDS的造价比较高，所以在指标要求不高的情况下，可以使用 FPGA 来实现 DDS 频率合成的原理来产生较高频率的正弦波，任意波形的信号也是如此。课题基于 FPGA 的信号发生器的设计主要研究内容为 DDS 基数及其FPGA 的实现。其目的在于让设计者能掌握 DDS 的原理及其设计思路，具体的了解 EDA 技术流程，熟悉硬件描述语言设计功能
2、电路，并最终检验设计的设计能力。随着我国的经济日益增长，社会对电子产品的需求量也就越来越大，目前，我国的电子产品市场正在迅速的壮大，市场前景广阔。FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)在现代数字电路设计中发挥着越来越重要的作用。FPGA/CPLD(Complex Programmable Logic Device)所具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，缩短了产品的上市时间并降低可电子系统的开发成本，且可以毫不夸张地讲，FPGA/CPLD 能完成任
3、何数字器件的功能，从简单的 74 电路到高性能的 CPU。它的影响毫不亚于 20 世纪 70 年代单片机的发明和使用。现在随着电子技术的发展，产品的技术含量越来越高，使得芯片的复杂程度越来越高，人们对数万门乃至数百万门设计的需求也越来越多，特别是专用集成电路（ASIC）设计技术的日趋进步和完善，推动了数字系统设计的迅速发展。仅靠原理图输入方式已不能满足要求，采用硬件描述语言 VHDL 的设计方式应运而生，解决了传统用电路原理图设计大系统工程时的诸多不便，成为电子电路设计人员的最得力助手。设计工作从行为、功能级开始，并向着设计的高层次发展。这样就出现了第三代 EDA 系统，其特点是高层次设计的自
4、动化。 第三代 EDA 系统中除了引入硬件描述语言，还引入了行为综合工具和逻辑综合工具，采用较高的抽象层次进行设计，并按层次式方法进行管理，可大大提高处理复杂设计的能力，缩短设计周期，综合优化工具的采用使芯片的品质如面基于 FPGA 的信号发生器的设计第 2 页 共 37 页积、速度和功耗等获得了优化，因而第三代 EDA 系统迅速得到了推广应用。目前，最通用的硬件描述语言有 VHDL 和 VerilogHDL 两种，现在大多设计者都使用 93 年版标准的 VHDL，并且通过了 IEEE 认定，成为世界范围内通用的数字系统设计标准。VHDL 是一种新兴的程序设计语言，使用 VHDL 进行设计其性
5、能总是比常规使用 CPU 或者 MCU 的程序设计语言在性能上要高好几个数量级。这就是说，在传统上使用软件语言的地方，VHDL 语言作为一种新的实现方式会应用得越来越广泛。本课题设计是采用美国 Altera 公司的 FLEX10K10器件，使用的是 Altera 公司的 EDA 软件平台 QuartusII 可编程逻辑器件开发软件。基于 EDA 工具的 FPGA/CPLD 的开发流程 CPLD/FPGA 器件的设计一般可分为设计输入。设计实现和编程三个设计步骤：1.设计输入方式主要由文本输入和图形输入两种，可根据需要选择，也可混合输入。EDA 工具会自动检查语法；2.设计实现阶段 EDA 工具
6、对设计文件进行编译，进行逻辑综合、优化，并针对器件进行映射、布局、布线，产生相应的适配文件；3.编程阶段 EDA 软件将适配文件配置到相应的 CPLDFPGA 器件中，使其能够实现预期的功能。信号发生器是数字设备运行工作中必不可少的一部分，没有良好的脉冲信号源，最终就会导致系统不能够正常工作，更不必谈什么实现其它功能了。不论是处于开发还是故障检修阶段，输出标准且性能优秀的信号发生器总是能够带来工作效率的大幅提升，使新产品有一个标准的信号源、损坏的系统得到正确校验，不会被一些故障所蒙蔽。在传统的信号发生器中，大都使用分立元件，而且体积庞大携带不便，且大部分只能输出一种脉冲信号波形。在设计领域，不
7、管采用什么技术生产，生产的产品用在哪里，其产品设计的宗旨都是离不开以下几点：实用性高、成本低、可升级、功能完善可扩展等！使用专用的数字电路设计的信号发生器，设备成本高、使用复杂。基于以上考虑，在中小型数字电路的设计和测试中，迫切需要设计一种小型易用成本低廉的信号发生器。此课题的设计以小型经济，集成度高，性能稳定，使用方便为指导，在功能上力求完善实用，同时兼顾商业价值与应用价值的体现前言第 3 页 共 37 页1.引言引言1.1 课题来源课题来源湖北省电子设计竞赛题目1.2 课题研究的研究背景课题研究的研究背景 DDS 技术具有频率切换时间短，频率稳定度高，输出信号的频率和相位可以快速程控切换，
8、输出相位可连续，可编程以及灵活性大等优点，它以有别与其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS广泛用于接受机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线电通信系统。EDA 技术依靠功能强大的电子计算机，在 EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言 HDL 为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、简化、分割、综合、优化和仿镇，直至下载到可编程逻辑器件 CPLD/FPGA 或专用集成电路 ASIC 芯片中，实现即定的电子电路设计功能。EDA 技术使得电子电路设计者的工作仅限于利用硬件描述语言和 EDA 软件平台来完成对系统硬件功能的实现，
9、极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。由此可知，对课题的深入研究设计，对于电子信息专业的毕业生有相当重要的意义。1.3 国内外的发展现状、发展趋势及存在的主要问题国内外的发展现状、发展趋势及存在的主要问题直接数字频率合成技术（DDS）的理论早在 20 世纪 70 年代就被提出，它的基本原理就是利用采样定理，通过查表发产生波形。由于硬件技术的限制，DDS技术当时没能得到广泛应用。但是随着大规模集成电路的飞速发展，DDS 技术的优越性已逐步显现出来。今天 DDS 技术凭借其优越的性能已成为现代频率合成技术中的佼佼者，广泛用于接受机本振、信号发生器、仪器、通信系统、雷达系统等，尤其适
10、合跳频无线电通信系统。不少学者认为，DDS 是产生信号和频率的一种理想方法，发展前景十分广阔。而 EDA 技术更是现代电子设计技术的核心。20 世纪 90 年代以来，微电子基于 FPGA 的信号发生器的设计第 3 页 共 41 页工前言第 4 页 共 37 页艺有了惊人的发展。为了满足千差万别的系统用户提出的设计要求，最好的办法是由用户自己设计芯片。这个阶段发展起来的 EDA 工具，目的是在设计前期将原来设计师从事的许多高层次设计工作改由工具来完成。设计师通过一些简单标准化的设计过程，利用微电子厂家提供的设计库来完成数万门 ASIC 和集成系统的设计与验证。这样就对电子技术的工具提出了更高的要
11、求，提供了广阔的发展空间，促进了 EDA 技术的形成。今天，EDA 技术已经成为电子设计的重要工具，无论是设计芯片还是设计系统，如果没有 EDA 工具的支持，都将是难以完成的。EDA 工具已经成为现代电路设计工程师的重要工具，正在发挥越来越重要的作用近几年，随着需求量的不断增加，FPGA 的技术得到了迅速发展。从器件的速度来看，已制成了 80MHz 时钟频率的高速器件，FPGA 的速度已不再成为器件选择的障碍。从集成度来 看，实际使用器件已达 13000 门，可满足 ASIC 设计需求的 75 。美国 ATT 在 1994 年第 1 季度，推出了门数高达 1200022000 的 FPGA 器
12、件(产品)。从工艺上来看，目前正处于从 08 Lm向 07m 过渡时期，最近已制成了 06btm 的器件。从总的来看，现在的FPGA 的性能相当 于 25Lm 时代的门阵列(1985 年的水平)，还没有达到固定标准结构程序阶段。也 可以说正处于从单一型供货向多种供货的转折期。今后根据用户的需要将不断开发出速度更 高，能满足用户价格条件及能成倍增加IO 引脚数的新型器件，以扩大用户的选择范围。 随着通信设备的迅速更新换代并不断向智能化、多功能化发展，新的厂商不断出现，为保 持竞争实力，必须采用 FPGA 设计的 ASIC 电路。现在 FPGA 在通信中的应用越来越多，例如 专用自动小交换机、多功
13、能电话机、数字终端设备、区域网汇接站、数字信号处理、通信工具及 自动化测试等，均广泛采用了FPGA 及用?PGA 开发的 ASIC 电路。我国近几年迅速发展起 来的光通信系统中也较多地采用了 FPGA 器件。倒如邮电部激光研究所开发的 140Mbs 光 缆通信系统中，光电端机设备采用了 FPGA 器件，设备已被用于京一汉一广(全长3074km)光缆工程中。该所制作的 565Mbs 光端机、 光中继机也都采用 了FPGA 器件，已被 用于上海一南京 (全 长 383km)韵五次群光缆工程。虽然FPGA 有很多优点和广阔的发展空间，但是它也存在一些问题，例如基于 FPGA 的信号发生器的设计第 5
14、 页 共 37 页FPGA 一般来说比 ASIC（专用集成芯片）的速度要慢，无法完成复杂的设计，而且消耗更多的电能。1.4 课题研究的指导思想与技术路线课题研究的指导思想与技术路线初定步骤为以下几点：1、掌握总体设计原理，画出其电路方框图。2、根据设计要求设计单元电路功能模块。3、对各单元功能模块进行设计校验（包括功能仿真和时序仿真） 。4、连接单元块组成总电路并进行校验。5、将设计数据下载到器件并进行器件测试和验证，最终完成设计。1.5 课题研究的技术要求课题研究的技术要求（1）利用 EDA 技术，建立信号 DDS 产生模型，编写源程序，达到频率输出范围 1KHz-10MHz、频率步进 10
15、0Hz、频率稳定度优于 10-4、带 50 负载输出电压峰峰值大于 1V 等要求，完成硬件实现与测试。 重点研究内容：DDS 原理与信号发生器模型；FPGA 实现方法。 （2）要求达到： 1、软件仿真并硬件实现，可以演示； 2、查阅 DDS、EDA、FPGA 等相关科技文献；要求查阅近 3 年的科技文献为主，累计 10 篇以上（其中至少 1 篇外文文献）（3）研究方法、步骤和措施熟悉 EDA 技术是基础。要做好 EDA 设计首先要了解 EDA 的设计流程，包括：设计准备、设计输入、设计处理、设计校验、器件编程以及器件的测试和设计验证。掌握好硬件描述是至关重要的。理解 DDS 原理是关键。只有在
16、理解了DDS 的基本原理后，才能构建好设计思路，直至最终完成。基于 FPGA 的信号发生器的设计第 6 页 共 37 页2 方案选择方案选择2.1 DDS 设计方案和振荡器频率合成方案设计方案和振荡器频率合成方案方案方案 1采用 DDS（直接数字频率合成器）来设计，设计总体框图如图（2）所示。在设计界里众所周知，DDS 器件采用高速数字电路和高速 D/A 转换技术，具有频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程控切换等优点，所以，我们可以利用 DDS 具有很好的相位控制和幅度控制功能，另外其数据采样功能也是极具精确和完善的，它可以产生较为精确的任何有规则波形信号，可以实现对信号进行全数字式调制。相位累加 器ROMD/A 转换低通滤 波频率控制字信号输出
