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基于FPGA信號發生器2.doc

'基于FPGA信號發生器2.doc'
?1 緒論1.1 引言 任意波形發生器己成為現代測試領域應用最為廣泛的通用儀器之一,代表了信號源的發展方向。直接數字頻率合成(DDS)是二十世紀七十年代初提出的一種個數字的頻率合成技術,其查表合成波形的方法可以滿足產生任意波形的要求。由于現場可編程門陣列(FPGA)具有高集成度、高速度、可實現大容量存儲器功能的特性,能有效地實現DDS技術,極大的提高信號發生器的性能,降低生產成木。1.2 背景與意義隨著科技的不斷發展,電子技術獲得了飛速的發展,有力的推動了生產力的發展和社會信息化程度的提高,電子行業也經歷著日新月異的變化。信號發生器是實驗室的常用儀器之一,設計信號發生器具有實際應用的意義。波形發生器即通常所說的信號發生器是一種常用的信號源,它具有信源的所有特點。信號源有很多種,包括正弦波信號源、函數發生器、脈沖發生器、掃描發生器、任意波形發生器、合成信號源等。波形發生器廣泛應用于通信、雷達、測控、電子對抗以及現代化儀器儀表等領域,是一種為電子測量工作提供符合嚴格技術要求的電信號設備,和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣是最普通、最基本也是應用最廣泛的電子儀器之一,幾乎所有電參量的測量都要用到波形發生器。隨著現代電子技術的飛速發展,現代電子測量工作對波形發生器的性能提出了更高的要求,不僅要求能產生正弦波、方波等標準波形,還能根據需要產生任意波形,且操作方便,輸出波形質量好,輸出頻率圍寬,輸出頻率穩定度、準確度及分辨率高,頻率轉換速度快且頻率轉換時輸出波形相位連續等??梢?,為適應現代電子技術的不斷發展和市場需求,研究制作高性能的任意波形發生器十分有必要,而且意義重大。一般傳統的信號發生器都采用諧振法,即用具有頻率選擇性的回路來產生正弦振蕩,獲得所需頻率。這種信號發生器雖然具有輸出信號頻率圍寬,結構簡單等優點,但輸出波形單一,不能產生任意波形,且頻率穩定度和準確度較差,頻率準確度低。 因此傳統的信號發生器己經越來越不能滿足現代電子測量的需要,正逐步退出歷史舞臺。而基于頻率合成技術制成的信號發生器,由于可以獲得很高的頻率穩定度和精確度,因此發展非常迅速,尤其是最近隨著現代電子技術的不斷發展,其應用更是有了質的飛躍。1.3 課題研究現狀和應用 信號發生器是能夠產生大量的標準信號和用戶定義信號,并保證高精度、高穩定性、可重復性和易操作性的電子儀器。函數波形發生器具有連續的相位變換、和頻率穩定性等優點,不僅可以模擬各種復雜信號,還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態、及時的控制,并能夠與其它儀器進行通訊,組成自動測試系統,因此被廣泛用于自動控制系統、振動激勵、通訊和儀器儀表領域。在70年代前,信號發生器主要有兩類:正弦波和脈沖波,而函數發生器介于兩類之間,能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形,產生其它波形時,需要采用較復雜的電路和機電結合的方法。這個時期的波形發生器多采用模擬電子技術,而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點,并且要產生較為復雜的信號波形,則電路結構非常復雜。同時,主要表現為兩個突出問題,一是通過電位器的調節來實現輸出頻率的調節,因此很難將頻率調到某一固定值;二是脈沖的占空比不可調節。 在70年代后,微處理器的出現,可以利用處理器、戶了D和D/A,硬件和軟件使波形發生器的功能擴大,產生更加復雜的波形。這時期的波形發生器多以軟件為主,實質是采用微處理器對DAC的程序控制,就可以得到各種簡單的波形。 90年代末,出現幾種真正高性能、高價格的函數發生器、但是HP公司推出了型號為HP77OS的信號模擬裝置系統,它由HP877OA任意波形數字化和HP1776A波形發生軟件組成。HP877OA實際上也只能產生8中波形,而且價格昂貴。不久以后,Analogic公司推出了型號為Data一2020的多波形合成器,Lecroy公司生產的型號為9100的任意波形發生器等。 到了二十一世紀,隨著集成電路技術的高速發展,出現了多種工作頻率可過GHz的DDS芯片,同時也推動了函數波形發生器的發展,2005年Agilent能夠產生高達50OMHz的頻率,采樣的頻率可達 1.25GHz。由上面的產品可以看出,函數波形發生器發展很快近幾年來,國際上波形發生器技術發展主要體現在以下幾個方面: 1.過去由于頻率很低應用的圍比較狹小,輸出波形頻率的提高,使得波形發生器能應用于越來越廣的領域。波形發生器軟件的開發正使波形數據的輸入變得更加方便和容易。波形發生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數段把波形數據存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數學方程輸入方式,復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成v=f(t)形式的波形方程的數學表達式產生。從而促進了函數波形發生器向任意波形發生器的發展,各種計算機語言的飛速發展也對任意波形發生器軟件技術起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic,Visual C等等)編寫任意波形發生器的軟面板,這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形,來實現波形的輸入。 2.與VXI資源結合。目前,波形發生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求,在很多領域需要使用VXI系統測量產生復雜的波形,VXI的系統資源提供了明顯的優越性,但由于開發VXI模塊的周期長,而且需要專門的VXI機箱的配套使用,使得波形發生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領域。在民用方面,VXI模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。 3.隨著信息技術蓬勃發展,臺式儀器在走了一段下坡路之后,又重新繁榮起來。不過現在新的臺式儀器的形態,和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性,可以執行多種功能。而且外形尺寸與價格,都比過去的類似產品減少了一半。1.4 波形發生器的幾種實現方式 任意波形發生器得實現方案主要有程序控制輸出、DMA輸出、可變時鐘計數器尋址和直接數字頻率合成等多種方式。1.4.1程序控制輸出方式 計算機根據波形的函數表達式,計算出一系列波形數據瞬時值,并定時地逐個傳送給D/A轉換器,合成出所需要的波形。這種方式具有電路簡單、實現方便等特點。但數據輸出定時不準確,會影響信號的頻率和相位;波形數據輸出依靠指令的執行來完成,當需要同時輸出多個信號時,相鄰信號通道的輸出存在時間差;受計算機運行速度的限制,輸出信號的頻率較低。1.4.2 DMA輸出方式 DMA(direct memo access)方式輸出不依賴于程序的執行,由DMA控制器申請總線控制權,通過地址總線給出存儲器的地址信號,同時選通存儲器和D/A轉換器,在兩者之間建立直接的數據通道,使存儲器相應單元中的波形數據傳送給D/A轉換器轉換后輸出信號。DMA方式輸出信號,可以大大提高信號的數據輸出速率。但也存在一些問題,如波形輸出期間,微處理器因為失去了總線控制權,無法進行其他操作;在一個DMA操作中,只能在一個D/A轉換器和存儲器之間傳送數據,無法實現多通道的信號輸出。1.4.3可變時鐘計數器尋址方式。省略部分。GA的數字系統設計[M].:電子科技大學,2008.[7]躍編.FPGA應用開發實戰技巧精粹[M].:人民郵電,2009.[8]夏宇聞.VerilogHDL入門[M].:航空航天大學,2008.[9]吳戈編.VerilogHDL與數字系統設計簡明教程[M].:人民郵電,2009.[10]振江.A/D,D/A轉換器接口技術與實用線路[M].: 電子科技大學,1996.[11]王家禮.頻率合成技術[M].:電子科技大學,2009.致在作此次畢業設計的過程中,本人得到了郭老師的精心指導,正是因為老師不斷的提供大量的資料來源,不僅為我設計出利用FPGA實現DDS的信號發生器,而且使我學會了從大量的資料中選擇出自己需要的東西。在此感老師和同學們的幫助,感培養我四年的學校。袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈
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發生器 fpga 信號 基于
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