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1、任意波形发生器设计（总23页）-本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可-内页可以根据需求调整合适字体及大小-学号：毕业设计题 目：任意波形发生器设计作者刘慧届别2016院部物理与电子学院专业电子科学与技术指导老师易立华职称副教授完成时间摘要任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator,AWG作为一种多波型的信号发 生器，它不仅可以产生锯齿波、正弦波等常规波形，而且还能表现出载波调制的 多样化特点，使波形发生调幅、调相、调频和脉冲调制等。甚至能利用计算机软 件实现波形的编辑，生成用户所需要的任意波形。任意波形发生器广泛应用于自 动控制、电子电路和科学试验领域，是一款
2、给电子测量工作提供符合技术要求的 电信号设备。因此在各个领域都得到迅猛的发展。本论文设计一款任意波形发生 器，该系统由输入模块、FPGA模块、DAC数模转换模块、显示模块4个部分组 成。该设计将虚拟化的仪器技术、串行总线接口技术和直接数字频率合成技术完 美地结合在一起，以现场可编程门阵列（FPGA）作为硬件基础，然后再通过逻 辑设计、系统软件设计和系统硬件电路设计，实现了一款基于直接数字频率合成 技术的低成本、便携式、可扩展的可立即使用的任意波形发生器。关键词：数字频率合成器；verilog； FPGA；仿真AbstractArbitrary waveform generator (Arbit
3、rary Waveform Generator,AWG)is a multi wave signal generator. It can not only generates a sawtooth wave, sine wave and so on conventional waveform and the diversification of the modulated carrier, so that the waveform occurrence amplitude modulation, phase modulation, frequency modulation and pulse
4、modulation. Can even use computer software to realize the waveform of the editor, the user needs to generate arbitrary waveform. Arbitrary waveform generator is widely used in the field of automatic control, electronic circuit and scientific experiment. It is an electrical signal equipment which mee
5、ts the technical requirements for electronic paper designs an arbitrary waveform generator, which is composed of 4 parts, input module, FPGA module, DAC module and display module. The design the virtual instrument technology, serial bus interface technology and direct digital frequency synthesis tec
6、hnology perfect combination together, convertible to field programmable gate array (FPGA) as the basis of hardware, and then through the logic design, system software design and the hardware circuit design, and the implementation of a arbitrary waveform generator based on direct digital frequency sy
7、nthesis technology of low cost, portable, scalable and can be immediately used.Keywords: Digital frequency synthesizer; Verilog; FPGA;Simulation目录摘 要 错误!未定义书签。Abstract 错误!未定义书签。错误!未定义书签第一章 绪 论错误!未定义书签引言错误!未定义书签。任意波形发生器国内外发展现状错误!未定义书签。问题的提出错误!未定义书签主要研究工作及内容安排错误!未定义书签。第二章 直接数字频率合成器原理及性能分析错误!未定义书签。直接数字
8、频率合成技术的基本原理错误!未定义书签DDS 技术的性能分析错误!未定义书签。第三章 FPGA 设计流程错误!未定义书签。FPGA 简介错误!未定义书签。FPGA 的优点错误!未定义书签。FPGA 的设计结构 错误!未定义书签。第四章 针对任意波形发生器的系统设计错误!未定义书签系统设计错误!未定义书签。FPGA 的模块划分 错误!未定义书签。时钟模块错误!未定义书签D/A 转换模块 错误!未定义书签48 位寄存器设计 错误!未定义书签地址发生器模块错误!未定义书签波形数据存储器设计 错误!未定义书签任意波形输出模块错误!未定义书签任意波形发生器的 FPGA 实现错误!未定义书签第五章总结与展
9、望错误!未定义书签参考文献错误!未定义书签。致 谢 错误!未定义书签。附 录 错误!未定义书签。第一章 绪 论引言波形发生器是我们生活中一种十分常见的电子测试仪器，能够为待测电路形 成需要的数据信号，不仅具有精度很高、很好的稳定性、操作很简单等众多优 点，而且还能对波形、波形的频率、波形的幅值和波形图的状态控制，甚至被用 来虚拟出各种各样复杂而繁琐的信号。随着通信、雷达的不断发展，对信号源的 频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数以及信号波形的形状也提出 越来越多的要求。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
10、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， 研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。伴随着经济技术的飞速发展，电子科学领域的不断进步，开发具有高性能 的、达到人们所需要的波形发生器受到了电子科学界的极大关注。传统的信号发 生器在某些特殊的情况已经不再能满足人们的需求，主要是因为在大多数的研究 领域中，不仅要求一些规则的信号，同时还要求一些不规则信号来应用于特殊的 系统研究，因此，人们对所需激励源的测试要求不断提高，尤其是对于波形发生 器输出波形的类型、波形的频率范围、频率精度以及频率的稳定度都提出了更高 的要求。现在市面上的波形发生器大都
11、采用了 DDS （Direct Digital Synthesizer，直 接数字式频率合成器）技术，这种技术由美国学者 、和于 1971 年首次提出。但 是由于 DDS 芯片内部的数据结构等都是固定的，不容易改变，使得输出波形的 种类有限，系统的可配置性和灵活性也被受到了限制，而且功耗还是比较大、成 本也比较高。后来，伴随着现场可编程门阵列 FPGA 技术的日益发展，越来越多 的人开始关注利用 FPGA 技术来完成波形发生器的设计。 任意波形发生器国内外发展现状由于国外对波形发生器的研究相对于国内来说起步比较早，它们的产品无论 在技术上，还是在市场占有率上都处于有利领先的地位，为了打破国外波
12、形发生 器的垄断的格面，并缩小我过与国外在这方面技术上的差距。我国在 20 世纪 90 年代便开始自主研发生产波形发生器，并取得了较好的成绩，较突出的有北京的 RIGOL 公司，但是其生产的产品在种类、功能和性能等方面仍然与国外存在着一 定的差距，而且高端产品的价格十分昂贵，都在十几万元左右，低端一点的都要 几千元。因此，继续把重点放在波形发生器相关技术的研究工作上，研制具备低 成本、高性能的波形发生器将会对我国电子技术的发展和国际影响力都具有极大 的促进和推动作用，具有非常广阔的发展前景。从任意波形发生器的历史发展到至今，根据产品的结构形式可将其分为三 种：独立仪器结构形式；（2）PC总线式
13、；（3）VXI模块式。问题的提出由于现场可编程门阵列FPGA的应用领域非常广泛。在数据采集领域，通常 的实现方法是利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号之后，再送给处理器。 但是对于高速的A/D和D/A转换芯片来说，FPGA可以完成数据采集的粘合逻辑 功能。在逻辑接口领域中，传统的设计大多都需要专用的接口芯片，如果需要的 接口较多，那么将需要较多的外围芯片，体积、功耗都很大。但采用FPGA的方 案后，接口逻辑都可以在FPGA内部来实现，使电路的设计结构更加美观，在很 大的程度上简化了外围电路的设计。因此，利用现场可编程门阵列FPGA和D/A 转换芯片来搭建波形发生模块，会使得设计更加灵活，输
14、出波形更加能够适应实 践的需求。此外，FPGA芯片支持在线可编程，能随时根据设计需求，对系统进 行在线升级，达到符合要求的最佳设计。本设计的设计目标是根据任意波形发生器的特点以及应用情况设计出一种使 用简单、性能优良的一款任意波形发生器，再结合新一代的高性能芯片，该器件 能够产生三角波、正弦波、方波等任意常用的波形信号，甚至能够根据用户的需 要生成任意波形。该论文主要是研究基于FPGA技术下的如何确定任意波形发生 器的设计方案，设计模块以及设计结构和系统设计，该如何解决实际操作的过程 出现的波形失真等问题。主要研究工作及内容安排第一章写绪论，阐述了课题的主要内容和和本设计要完成的目标，并分析了
15、 任意波形发生器的国内外发展现状。第二章主要对直接数字频率合成技术（即DDS技术）的原理做理论分析， 并且对DDS技术性能上的优点和缺点分别进行了说明。第三章介绍了 FPGA的整个设计结构并加以说明，并详细介绍了 FPGA的发 展历史背景及优点。第四章制定了整个系统的设计流程，分别从不同模块分析了整个设计的详细 流程。第五章为整个设计作总结，对整个论文工作作总结，并指出今后的努力方 向。第二章 直接数字频率合成器原理及性能分析直接数字频率合成技术的基本原理首先，直接数字频率合成(Direct Digital Synthesizei)电路的实现是整个电路 系统设计的关键。直接数字频率合成电路工作时第一步对需要的波形进行采样， 将采样数值存入波形存储器作为查找表，然后经过查找表把数据读出来，再经过 D/A转换器将数字信号转化成为模拟信号，并通过低通滤波器将DAC转换器输出 的阶梯波转换成光滑的连续信号，最后把存入的数据重新合成出来。直接数字频 率合成电路的基本结构一般包括以下几部分：相位累加器、波形存储器 ROM、 数模转换器DAC以及低通滤波器等。直接数字频率合成器原理结构框图如图2-1 所示。ROM查找 表-DAC图 2-1 直接数字频率合成器原理框图在图 2-1 中，设 f 为参考时钟频率， P 为相位控制字。 N 为相位累加器的字 c长，K为频率控制
