多功能波形发生器系统设计.doc

多功能波形发生器系统设计设计人：潘礼阮赐朋王怀涛指导老师：黄智伟王彦南华大学电子实验室2023.8.23摘要：本设计为一数字式多功能波形发生系统。系统应用VHDL语言，以FPGA为控制核心，实现了多种波形的可控输出，且支持任意波形的输入、存储和回放。系统采用了DDFS技术来产生波形，同时输出采用双DAC0832芯片完毕D/A转换，实现了输出波形幅度的数字式控制，幅度精度最高达7.6894e-5V。关键字：直接数字频率合成技术数字幅度控制数模转换Abstract:Thisdesignisadigitalmulti_aplicationfunctiongenerator.SystemapplyingVHDLlanguage,regardingFPGAasthecoreofcontrol,canproducemorethanonefunctionwaves,moreveritcanstore,representrandomfunctionwaves.ThesystemadoptingDDFStechniquetoproducewaves,atthefan-outdoubleDAC0832wasusedtoconvertthedigitalsignalstotheanalogsignals,atthesametimetheamplitudeofoutputcanbeadjustedinadigitalway,theprecisionofamplitudecanreach7.6894e-5V.Keyword:DDFSdigitaladjustofamplitudetheD/Aconvert引言：现代工程中波形发生器的应用是很广泛，并且相称重要。由于传统的模拟波形发生器在低频段波形质量不高，且功耗比较大等因素，工程中很少用模拟波形发生器来产生低频波。而现代作为主流的数字波形发生器由于采用不同的技术、不同的器件及工艺，其产生波的质量也有很大差别。本系统以FPGA作为开发平台，采用DDFS技术产生波形，由于FPGA内部电气特性远远弱于逻辑特性，因而系统输出的波形具有毛刺少、频带宽、调节方便等优点。方案比较1、模拟锁相环实现模拟锁相环技术是一项比较成熟的技术。应用模拟锁相环，可将基准频率倍频，或分频得到所需的频率，且调节精度可以做到相称高、稳定性也比较好。但模拟锁相环模拟电路复杂，不易调节，成本较高，且由于受模拟器件的影响，波形变换调节时间较长，输出波形的毛刺较多，因此模拟锁相环实现在低频（0~500KHz）信号发生系统中不是很好的方案。直接数字频率合成实现直接数字频率合成（DDFS）技术是经典的数字频率合成技术。由于数字量的可操作性远远高于模拟量，采用DDFS的优点在于频率精度高、波形调节方便、且输出波形毛刺少等。基于单片机的数字波形发生系统受单片机指令频率的限制，输出波形频率较低，而基于FPGA的波形发生系统就不存在这样的问题，其输出频带较单片机实现有很大的展宽。本系统设计选定以FPGA作为系统控制核心的直接数字频率合成实现方案。总体设计该多功能数字波形发生器的重要功能有4种基本波形（正弦波、三角波、锯齿波及芳波）的可控输出，超低幅度（MV级）方波的产生，任意波的输入、存储、输出，以及各种波的线性叠加输出。由于FPGA的高度集成化设计，系统设计中将大部分的控制集成在FPGA中央解决模块内部，如存储器（RAM）、波形产生模块、波形选择模块等。外设重要有任意波形输入器件、A/D转换器件、输入频率跟踪采样器件以及键盘、数码管等。整体设计总体设计框图如下图2-1.系统整体框图系统以FPGA为控制核心，基于FPGA的中央解决模块集成了RAM，用以存储各种波形特性数据。32.0000MHz晶振输出的单个脉冲周期为系统最小时间单位，系统通过改变输出波形相邻采样点间的脉冲个数达成调节输出频率的效果。系统输出采用双DAC0832串联的调幅方案，系统可以方便而精确的改变输出波的幅度，并且可根据需要生成幅度调制波。各模块设计<1>键盘输入模块键盘重要用于输入各种控制信号以及设定频率的输入。调频数据采用BCD码直接置数方式输入，输入量通过系统内部集成的除法器转化为相邻采样点间的脉冲个数，以达成调节输出波频率的目的。任意波形的输入同样采用BCD码置数方式，任意波的表征参数有采样点数、各采样点的归一化幅度、各点的相对位置等。系统键盘扫描键盘的时间为1/8S。应用键盘输入的缺陷是在输入波形的采样点值比较多，相应的输入操作比较烦琐，且容易犯错。而较之其他输入方式（如触摸屏等）就相称方便。下面是BCD码输入电路图：图2-2.BCD码输入电路上图中CON9为排阻，所起作用为限流，这样可保证输入的电流不会损坏FPGA。<2>其他模拟输入模块此模块作为预留接口，可支持各种模拟器件