基于FPGA的数字信号发生器设计

作者：杨家兴

（陕西理工学院物电学院电子通信1104班，陕西汉中 723000）

指导教师：薛转花

[摘要]数字信号发生器是数字信号处理中不可缺少的调试设备，在生产生活中的

应用非常广泛。本文所设计的内容就是基于Altera公司的现场可编程门阵列（FPGA）实现数字信号发生器的设计,本设计中应用VHDL硬件描述语言进行描述，使该数字信号发生器可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波四个独立的波形。

[关键词]：数字波形发生器；FPGA；VHDL

Design Of FPGA-based Digital Signal Generator

Author:Yang Jiaxing

(Garde11 class4 Major Communication engineering, School of Physics and Telecommunication

Engineering, Shaanxi University of Telechnology ,shaanxi hanzhong 723000)

Tutor: Xue Zhuanhua

[Abstract]Digital signal transmitter as a test facility is an important part of information processing system. In the production of a wide range of application of life. This content is designed by Altera, based on field programmable gate array (FPGA) design of digital signal generator, the design of the application of VHDL hardware description language to describe, so that the digital signal generator can produce sine, square, triangle, sawtooth waveforms of four independent.

[Key words]： Digital Waveform Generator; FPGA; VHDL

目 录

I

第一章 绪 论 ............................................... 3 1.1 背景与意义 .......................................... 3 1.2 国内外发展现状 ....................................... 3 第二章 相关资料 ............................................ 4 2.1 FPGA简介 ............................................ 4 2.3 VHDL简介 ............................................ 5 2.4 QuartusⅡ简介........................................ 6 第三章 系统软件设计 ........................................ 7 3.1软件系统流程图 ....................................... 7 3.2 数字信号发生器的软件设计 ............................. 8 3.2.1 主控制模块 ...................................... 8 3.2.2 波形数据产生模块 ................................ 9 结束语 .................................................... 12 致谢 ...................................................... 12 参考文献 .................................................. 12 附 录 ..................................................... 13

II

基于FPGA的数字信号发生器设计

1.绪 论

1.1 背景与意义

在电子技术领域，常常需要波形、频率、幅度都可调的电信号，用于产生这种电信号的电子仪器称作信号发生器。

信号发生器是一种常用的信号源，广泛运用于科学研究、生产实践和教学试验等领域。特别是在通信系统的科研实验中，常常需要用到不同频率和幅度的信号，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等。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，也是运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。

传统的波形发生器多采用模拟分立元件实现，产生的波形种类要受到电路硬件的限制，体积大、灵活性和稳定性也相对较差。近年来，以数字技术为基础的数字信号发生器得到了飞速的发展，性能指标都达到了一个新的水平。现场可编程门阵列器件具有容量大、运算速度快、现场可编程等优点，使得许多复杂的电路有了新的实现途径，越来越被广泛地应用到实际系统中。而且随着当今电子系统的越来越复杂，毫无疑问，数字信号发生器正在成为模拟复杂信号的事实标准。

凡是能产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。

信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表进行测量的参数。信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形；逻辑信号源输出数字码形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；逻辑信号发生器又可分为脉冲信号发生器和码型发生器，其中脉冲信号发生器驱动较小个数的的方波或脉冲波输出，码型发生器生成许多通道的数字码型。 1.2 国内外发展现状

采用可变时钟和计数器寻址波形存储器的任意波形发生器在一段时期内曾得到广泛的应用，其取样时钟频率较高且可调节，然而这种波形发生器对硬件要求比较高，需要高性能的锁相环和截止频率可调的低通滤波器，且频率分辨率低，频率切换速度较慢，已经逐步退出市场。

目前市场上的数字信号发生器主要采用直接数字合成（Direct Digital Synthesuzer，DDS）技术，这种波形发生器不仅可以产生可变频的载频信号、各种调制信号，同时还能和计算机配合产生用户自定义的有限带宽的任意信号，可以为多领域的测试提供宽带宽、高分辨率的测试信号。 从目前发展状况来看，国外数字信号发生器的研制和生产技术已经较为成熟。以安捷伦（Agilent）和泰克（Tektronix）为代表的国际电子测量仪器公司在此领域进行了卓有成效的研究和开发，其产品无论在技术上还是市场占有率方面在国际上都享有盛誉，但其价格也相当昂贵，高端型号每台价格都在几万美金左右，低端的也要几万人民币。Tektronix公司的独立结构任意波形发生器AFG3000系列功能完善，人机界面友好，操作方便，可以以多种方式连接到PC机上，其最高采样率能达到2GS/s，输出正弦信号最高频率为240MHz，任意波频率最高能达到50MHz，并配备的强大的波形编辑软件ArbExpress，用户可以方便地创建和编辑自己的波形。Agilent公司的PXI模块任意波形发生器采样率已经能达到1.25GS/s，最高输出频率500MHz。我国研制任意波形发生器是从上世纪90年代开始的，近年来有一批本土厂商奋起直追，取得了可喜的成果。例如南京盛普科技电子有限公司的SPF120型信号发生器的主波输出频率达到了120MHz，任意波最高频率为100KHz；北京普源精电科技有限公司（RIGOL）生产的DG1000/2000/3000系列任意波形发生器，在性能上已经大略相当于国外中低端产品。

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本课题的主要研究内容是参考直接数字频率合成原理（DDS）技术，利用Quartus II 9.0

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