FPGA信号发生器毕业设计开题报告_图文.

1、中北大学 毕业设计任务书 学院、系： 信息与通信丄程学 院通信工程系 专业： 通信工程专业 学生姓名： 郭枫 学号： 08050744 4 仃 设计题目： 基于 FPGAFPGA 的多功 能波形发生器的设 计 起迄日期： 20122012 年1月 1 1 日 2012 2012 年 6 6 月 1515 指导教师: : 李 系主任： 赵冬娥 发任务书日期：2012 年 1 月 1 日 毕业设计开题报告 1. 1.毕业设计的任务和要求： 文献综述 指导教师: : 李 1.1研究的目的及背景 随着科学技术的日 新月异的发展，各种 各样的电子产品也正 在逐步向着高精尖技 术发展。电子技术广 泛的应用

2、于工业、农 业、交通运输、航天 航空、国防建设等国 民经济的诸多领域 中，数字电子技术已 经广泛渗透到了人们 生活的各个层面，信号发 生器是一种常用的信号 源，广泛应用于电子 电路、自动控制和科 学试验等领域。【1 1】它 是一种为电子测量和 计量工作提供符合严 格技术要求的电信号 设备。因此，信号发生器和 示波器、电压表、频 率计等仪器一样是最 普通、最基本的，也 是应用最广泛的电子 设备之一，几乎所有 的电参量的测量都需 要用到信号发生器。 【2 2】 传统通信信号发生器信号的产生使 用模拟方法，体积大、设备笨重、成本 高、功耗大、可靠性差，且精度不高。 为了避免传统通信信号 发生器的信号

3、发 生技术带来的 诸多不便同时随着数字信号 处理和集成电路技术的发展 ，DDS DDS （直接数 字频率合成 Direct DigitalDirect Digital Syn thesizerSyn thesizer 技术被广泛的应用到信号 发生器的发生和制作当中。【3 3】但是， 为了迎合大部分普通用户以及适应市场 需求，绝大多数的 DDSDDS 集成芯片只能产 生传统正弦波、矩形波、三角波等常 用周期波形的信号 发 生器, 并且利 用DDSDDS 集成芯片来产生的信号具有系 统不易扩展、输出信号的带宽不易 提高、成本高及可靠性低等缺点。 FPGAFPGA（Field Programmabl

4、e GateField Programmable Gate ArrayArray，现场可编程门阵列器件具有 高速、高可靠性和现场可编程等优 点，已应用于数字电路设计、微处 理器系统、DSPDSP通信及ASICASIC设计 等不同的科技领域，因此利用 FPGA 殳 计信号发生器具有相当高的优越性和非常广 阔的应用前景。【4 4】 基于以上分析，本设计拟在 DDSDDS 技术 工作原理的基础上，利用 FPGAFPGA的灵活 性（现场可编程）来实现信号 发生器 的产生。这种设计方法不仅可以输 出用户需要的任意波形，同时可以 通过更改信号发生器与计算机的通 信接口来拓展端口地址空间，增加 数据位数，提

5、高频率分辨率的精 度，增加信号源输出波形种类等各 方面性能指标，而且该系统工作稳 定、可靠性高、成本低，并具有较好的 参考与实用价值。【5 5】 1.2国内外发展现状 信号发生器是一种最悠久的测量仪器， 早在 20 年代电子设备刚出现时它就产生了。 随着通讯和雷达技术的发展 40 年代出现了主 要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使 信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量 分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉 冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。 由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功 率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较 慢。直到 1964 年才出现第一台全晶体管的信 号发

6、生。【6 6 自 60 年代以来信号发生器有了迅速的发 展，出现了函数发生器，这个时期的波形发生 器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集 成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正 弦波、矩形波、锯齿波和三角波等几种简单波 形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波 形的幅度稳定性差，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。【7 7 自从 70 年代微处理器的出现以后，利用 微处理器、模数转换器和数模转换器、硬件和 软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂 的波形。这时期的信号发生器多以软件为主， 实质是采用微处理器对 DA

7、C 的程序控制，就可 以得到各种简单的波形。 【8 8】软件控制波形 的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主 要是由 CPU 的工作速度决定的，如果想提高频 率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提 高 CPU 的时钟周期，但这些办法是有限度的， 根本的办法还是要改进硬件电路。 【9 9】 随着现代电子、计算机和信号处理等技 术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量 仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被 数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的 处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和 变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点， 数字信号发生器随之发展起来。目前信号发生 器的基础就是直接数

8、字合成技术，用高速存储 器做查询表，通过数字形式存入的波形，由高 速数/模转换器产生所需要的波形。 【1010】 信号发生器的应用非常广泛，种类繁 多。首先，信号发生器可以分通用和专用两大 类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量 目的而研制的，电视信号发生器、脉冲编码信 号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象 的要求所制约的。 【1111】其次，信号发生器 按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲 波信号发生器、函数发生器和任意波发生器 等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振 法和合成法两种。 【1212】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

9、所需频率。但也可以 通过频率合成技术来获得所需频率。利用频率 合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成 信号发生器。【1313】 现代电子测量对于信号源频率准确度和 稳定度的要求越来越高，要求较宽的频率范围 内可以获得输出频率的高稳定度和准确度。对 于作为精密量的信号发生器，其频率准确度一 般达到 10- -6 6 10- -7 7。 因此传统的信号发 生己经越来越不能满足现代电子测量的需要。 而合成信号发生器则具有很高频率稳定度，其 频率准确度一般 可达到10- -9 9或更高的水 平。它可以输出多波形，有宽而准确的输出电 平调节，有较宽的频率输出范围，较小的频率 隔，因此其应用前景非常广泛

10、。 【1414】 目前 FPGA 为代表的数字系统现场合成技 术正朝着以下几个方向发展： 1、 向高密度、高速度、宽频带方向发 展； 2、 向低成本、低价格的方向发展； 3、 向低电压、低功耗和绿色化方向发 展； 4、 结构化 ASIC； 5、可编程片上系统 SOPC 6、 动态可重配置 DRFPG； 7、 单片群集器 COD【1515】 1.3 本设计的内容和设计目标 本设计，在保证硬 件电路功能的前提 下，使电路模块化以 方便设计和管理。整 个系统组成以FPGA芯 片为核心，配以必要 的外围电路组成。夕卜 围电路主要分为控制 电路和数据处理电路 两部分，完成显示信 息以及控制波形数据 的模

11、块输出等功能。 【1616】 因此，针对以上问题，本设计的工 作拟包括以下几个部分： 1、 选用FPGA集成芯片 作为设计的 主控芯片，实现信号 源的产生； 2、 要求信号源输出波形包括正弦波、矩 形波、三角波和直流量四种选择； 3、 对于周期输出信号设定 4 个，输出幅 值4个可调。【1717】 参考文献 1 朱小斌.电子测量仪器 M .北京：电 子工业出版社，1996 2 Michael Lauteb ach Artpin .任意 波形发生器在通讯测试中的应用 D.电 子产品世界，1997 3 史海明.个人仪器多功能任意波形发生器 的研制 M .仪表技术，1988 4 林青.DES在数字调

12、制中的应用 J .无线电工程，2001 5 张开增，张迎新，王尚忠.高分辨率高 稳度宽带函数发生器的研制J 华北工 学院学报 6 华清远见嵌入式培训中心. FPGA 应用开 发入门与典型实例J 北京：人民邮电 出版社，2008 7 薛刚基于 DDS 技术的任意信号发生器 M 自动化与仪器仪表，1995 8 陈冠百.锁相与频率合成 J .北 京：电子工业出版社，1995 9 赵新民.智能化仪器设计基础 J.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 19991999 10 欧阳星明.数字逻辑 J .北京：华 中科技大学出版社，2005 1 1 M. S.高西，K. R 莱克.现代滤波器 设计 J .北京：科

13、学出版社，1989 12 李宁.数字合成信号源及高速数据采 集测试平台的研究 D .电子科技大学硕 士论文，2004 13 赛尔吉尔.佛朗哥.基于运算放大器和 模拟集成电路的电路设计 J 西安：西 安交通大学出版社，2004 14 丁士析.模拟滤波器 J .哈尔滨： 哈尔滨工程大学出版社，2004 1 5楮振勇，齐亮，田红心等. FPGA 设计及 应用 D .西安：西安电子科技大学出 版，2006 16康光华.电子技术基础：模拟部分 M .北京：高等教育出版社，1999 17吴继华，王诚 Altera FPGA/CPLD 设 计高级篇 M .北京：人民邮电出版社， 2005 毕业设计开题报告

14、2 .毕业设计的具体工作内容： 要完成基于 FPGAFPGA 的信号源的设计最重要的就是选择合适的设计方案和系统 功能模块。系统方案设计示意图如（图 1 1）所示： 波形选择控制单元 波形信号发生单元 信号转换电路 FPGAFPGA 图 2.1 系统方案设计示意图 2.12.1 设计方案实现 2 2.1.1.1.1 设计方案思路 根据本设计的内容和目标，现在可以采用两种设计方法实现信号发生器信号 源的发生: 1 1 利用现成的单片 DDSDDS 集成芯片实现信号发生器信号源的发生; 2 2 利用 FPGAFPGA 自己设计 DDSDDS 电路实现信号发生器信号源的发生； 2.1.22.1.2

15、设计方案选择 基于以上分析，可以采用两种设计方案实现信号发生器信号源的发生，即： DDSDDS 集成方案及 FPGAFPGA 集成方案。 DDSDDS 集成方案：即选购符合要求的 DDSDDS 集成芯片配以简单的 FPGA FPGA 外围电路来达到产生信号源的目的。虽然这种方案周期短实现简单，但由 于是购买现成的芯片以及 DDSDDS 集成芯片本身的限制导致这种方案只能产 生传统波（正弦波、矩形波、三角波），而且系统不易扩展、输出信号的 带宽不易提高、控制方式固定、成本高及可靠性低等缺点； FPGAFPGA 集成方案：即以 FPGAFPGA 集成芯片为主，配以时钟产生电路、相 位累加器电路、数

16、据输入控制电路、滤波器控制电路、信号发生器启动控 制电路等外围电路实现信号发生器的硬件设计；同时，在 DDSDDS 技术工作 原理的基础上通过 VHDL VHDL （VeryVery- -HighHigh- -Speed Integrated Circuit Speed Integrated Circuit HardwareDescription LHardwareDescription Lan guage,an guage,超高速集成电路硬件描述语言）编程实现 信号源产生的软件设计。这种设计方法不仅可以输出用户需要的任意波 形，同时可以通过更改信号发生器与计算机的通信接口来拓展端口地址空 间

17、，增加数据位数，提高频率分辨率的精度，增加信号发生器输出波形种 类等各方面性能指标，而且该系统具有高速传输速率、高可靠性现场可编 程、低成本和系统工作稳定可靠等优点； 鉴于目前各工业现场较重视对低成本、高可靠性、系统工作稳定性尤其是现 场可编程等方面的技术要求，本设计拟采用 FPGAFPGA 集成方案来实现基于 FPGAFPGA 的 信号发生器的设计。 2.22.2 设计方案分析 2.2.12.2.1 本设计的整体结构 依据选定的设计方案，本设计考虑由以下四个模块构成： 1 1 波形、频率、幅值选择模块。 2 2 FPGAFPGA 信号产生电路模块。 3 3）数模转换电路模块。 2.2.22.2.2 设计的基本原理 根据本设计的整体结构， 结合设计的目标和要求， 本设计的系统工作原理如 图 （图 2.22.2）所示： 波形选择开关 频率选择开关 幅值选择开关 数模转换电路 输出 初值 时钟分频 直流量 方波 正弦波 三角波 FPGAFPGA 图22信号发生器系统原理框图 系统工作原理图如上图所示。本设计在