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1、1 绪论1.1 课题研究背景发生器即通常所说的信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、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要用到波形发生器。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。可见，为适应现代电子
2、技术的不断发展和市场需求，研究制作高性能的任意波形发生器 (Arbitrary waveform Generator，简称AwG)十分有必要1。 1.2 课题研究目的及意义一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。这种信号发生器虽然具有输出信号频率范围宽，结构简单等优点，但输出波形单一，不能产生任意波形，且频率稳定度和准确度较差，频率稳定度一般优于十分之一，频率准确度一般在0.5%以下，对于作为精密测量用的信号发生器。此传统的信号发生器己经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台2。而基于频率合成技术制成的信号发生器，由于可以获得很高的
3、频率稳定度和精确度，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。1.3 国内外的发展现状1.3.1 发生器的发展状况发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、振动激励、通讯和仪器仪表领域。在70年代前，信号发生器主要有两类:正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上
4、弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值;二是脉冲的占空比不可调节。在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函
5、数发生器、但是HP公司推出了型号为HP77OS的信号模拟装置系统，它由HP877OA任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。HP877OA实际上也只能产生8中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Leeroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过oHz的ons芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent的产品3322OA能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6O3OA能够产生高达50OMHz的频率，采样的频率可达
6、1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展 主要体现在以下几个方面:1.过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视
7、化编程语言(如 VisualBasic，VisualC等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。2.与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。1.3.2 FPGA技术的发展历史早在1980年代
8、中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块（比如加法器和乘法器）和内置
9、的记忆体。一个因此有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。1.3.3 FPGA技术的发展趋势FPGA技术正处于高速发展时期，新型芯片的规模越来越大，成本也越来越低，低端的FPGA已逐步取代了传统的数字元件，高端的FPGA不断在争夺ASIC的市场份额。先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产，越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中，基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不同提高，FPGA 的集成度将不断提高，制造成本
10、将不断降低，其作为替代ASIC 来实现电子系统的前景将日趋光明。(1) 大容量、低电压、低功耗FPGA大容量FPGA 是市场发展的焦点。FPGA 产业中的两大霸主：Altera和Xilinx在超大容量FPGA上展开了激烈的竞争。2007年Altera推出了65nm工艺的StratixIII系列芯片，其容量为67200个LE (Logic Element，逻辑单元)，Xilinx推出的65nm工艺的VitexVI系列芯片，其容量为33792个Slices (一个Slices约等于2个LE)。采用深亚微米(DSM)的半导体工艺后,器件在性能提高的同时，价格也在逐步降低。由于便携式应用产品的发展，对
11、FPGA 的低电压、低功耗的要日益迫切。因此，无论那个厂家、哪种类型的产品,都在瞄准这个方向而努力。(2) 系统级高密度FPGA随着生产规模的提高,产品应用成本的下降，FPGA 的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成，而是将它灵活地应用于系统级(包括其核心功能芯片)设计之中。在这样的背景下，国际主要FPGA 厂家在系统级高密度FPGA 的技术发展上，主要强调了两个方面：FPGA 的IP( Intellec2tual Property ，知识产权)硬核和IP软核。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA 厂商将IP硬核(指完成版图设计的功能单元模块
12、)嵌入到FPGA 器件中，另一方面是大力扩充优化的IP软核(指利用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块)，用户可以直接利用这些预定义的、经过测试和验证的IP 核资源,有效地完成复杂的片上系统设计。 (3) 动态可重构FPGA动态可重构FPGA是指在一定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性，而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力。对于数字时序逻辑系统，动态可重构FPGA的意义在于其时序逻辑的发生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成，而是通过对FPGA 进行局部的或全局的芯片逻辑的动态重构而实现的。动态可重构FPGA在器件编程结构上具有专门的特征，其内部逻辑块和内部连
13、线的改变，可以通过读取不同的SRAM中的数据来直接实现这样的逻辑重构，时间往往在纳秒级，有助于实现FPGA系统逻辑功能的动态重构。1.3.4 国外波形发生器产品介绍早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为8MHz，可以形成256点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为sbit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高3。操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成
14、的操作性越好。2 总体设计方案2.1 整体设计中 心控制模块 FPGAD/A 转换器多路模拟选择开关信号保持电路电源管理模块SRAM16路模拟信号输出图2.1 系统的设计模块整体的结构如图2.1所示，FPGA是核心控制器件，通过它来控制D/A和多路模拟开关使他们两个芯片在时序上达到一种能够同时输出16直流波的效果5。D/A转换器主要是通过FPGA控制SRAM送来的数据不断地转换数据，使得输入D/A的二进制数转换成相应的电压，FPGA同时也要控制多路模拟开关在16路上不断的选通，使得D/A输出地数据能够在16路上都有信号，最后通过信号保持电路最终的输出4。本设计考虑由以下六个模块构成：（1）FP
15、GA最小系统模块：包括JTAG接口、晶振、复位电路，该模块是设计的核心，也是系统的总体控制器，主要是通过和其他芯片的链接来控制D/A和多路模拟开关的运作，同时不断的发送控制命令和传输数据，从而使整个系统能够按照一定的预期的方案实现预期的波形。（2）控制电路模块：实现控制频率输出以及选择信号功能；（3）D/A模块：实现把数字信号高速转化为模拟信号的功能，同时通过调理模块实现信号放大、调理电路功能；（4）多路选通模块：实现选择在某几路同时输出同一信号；（5）电源模块：主要给各个芯片供电，以满足各芯片的正常工作；2.2 各模块设计（1）FPGA模块FPGA(Field Programmable Ga
16、te Array)是目前广泛采用的一种可编程器件随着微电子技术的发展，现场可编程门阵列(FPGA)得到了飞速发展。FPGA的时钟延迟可达到纳秒级，结合其并行工作方式，在超高速、实时测控方面有非常广阔的应用前景，具有工作速度快、集成度高和现场可编程的优点5。它的应用不仅使得数字电路系统的设计非常方便，并且还大大缩短了系统研制的周期，缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的品种。而且它的时钟频率已可达到几百兆赫兹。加上它的灵活性和高可靠性，几乎可将整个设计系统下载于同一芯片中，实现片上系统(soc)，非常适合用于实现波形发生器的数字电路6。系统中最重要的就是FPGA这个模块，一个FPGA肯定是不能工作，它得需要电源供电、晶振电路、复位电路还有就是下载电路这几部分才能组成一个FPGA最小系统电路，这
