基于FPGA的任意波形发生器的研究与设计详细说明文档

【实例简介】
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ABSTRACT With the rapid development of science and technology, electronic measurement technique has been widely used in each field such as electronics, machinery, medical, measurement and space. The electronic measurement technology needs to use various forms of high quality source. So arbitrary waveform generator has very important practical significance. The development of arbitrary waveform generator, which based on Direct Digital Synthesis is discussed in this paper. The generator can produce not only the conventional waveform such as sine wave, square, triangle wave and sawtooth wave, but the arbitrary waveform, thus this can meet the need of the study The work of this paper is as follows: ( 1) The domestic and overseas status about the arbitrary waveform generator are discussed. Clarify the various ways of this synthesis technology of frequency and technical comparison, and direct digital frequency synthesis technology is selected to research (2)Introduce the hardware design in this system structure and the realization of function, and a detailed description is given about system components. The single chip microcomputer is chosen as control module, we use FPga as the core technology to realize DDs. The periphery of the circuit design and interface technology is analyzed (3) This paper analyses the working principle, characteristics and technical indexes of the DDS. The design is based on EP1C3T144C8 FPGA chips. Realize DDS function through the use of phase accumulator and waveform RoM, and apply enable module and the determinant keyboard to present the flexible output of various waveform (4) The system test data is given. The reason caused by stray and noise influencing the spectral purity is analyzed KEY WORDS: Electronic measurement; arbitrary waveform generator; DDS; SCM; FPGA 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名: 日期:29年6月5日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版,允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容,可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。(保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释:本学位论文属于保密范围,在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释:本学位论文不属于保密范围,适用本授权 书 论文作者签名: 导师签名 + 1期:10年6月5日日期:22)年b月S日 第一章绪论 本章主要介绍任意波形发生器的研究意义,以及发展的概况与趋势,并介绍 本设计所需要做的软硬件工作,提出设计需要实现的目标。 11任意波形发生器的研究意义 任意波形发生器( Arbitrary Waveform Generator,AWG)实际上是一种多波 型的信号发生器,它不仅能产生正弦波、方波、三角波、斜波和指数波等常规波 形,也可以表现出载波调制的多样化,如:产生调频、调幅、调相和脉冲调制等。 更可以通过计算机软件实现波形的编辑,从而生成用户所需要的各种任意波形, 来满足各种实验研究的需要 随着科学技术的飞速发展,电子测量技术被广泛应用在电子、机械、医疗、 测控及航天等各个领域。许多电子系统,甚至电子器件只有在一定的电信号作用 下,其性能才能显露出来。另一方面,一些电器设备在研究和生产过程中也少不 了信号源,它们借助信号源通过测量来鉴定其性能的优劣。所以许多现代电子 设备和系统的功能如何,都直接的取决于信号源质量的高低,如何产生高稳定度、 高准确度的信号是任意波形发生器研制的关键。因此,信号发生器的表现就至关 重要。 我国的电子测量技术起步较晚,虽然在一些领域也取得了许多突破性进展, 但是与世界先进水平相比,仍然存在着很大的差距。因此提高国内电子测量仪器 的研制水平,加强核心技术的研发,对我国电子测量技术的发展,有着非常重要 的意义。 12任意波形发生器的发展概况 最早的信号发生器主要采用RC构成振荡电路。如1928年美国先后生产出 的调幅信号发生器与调频信号发生器。20世纪40年代许多国家已经开始研究脉 冲信号发生器。1962年美国 Wavetek公司在RC电路的基础上,又推出了函数发 生器产品。在60年代初,起源于通信领域的频率合成技术也引用到信号源上, 出现了合成信号发生器。自80年代以来人们又将微机技术引入信号源,出现了 任意波形发生器。早期的信号发生器主要采用模拟电子技术,电路结构复杂, 工艺不够成熟,因此存在着如:漂移较大,输岀波形的幅度稳定性差,模拟器件 构成的电路尺寸大、价格贵、功耗大等缺点。 80年代以后,现代电子、计算机和信号处理等技术的发展,极大的促进了 数字化技术在电子测量仪器的应用。高集成化微处理器的出现,增大了更复杂波 形产生与波形稳定的操控性。这时期的波形发生器多以软件为主,实质是采用微 处理器对DAC的程序控制,从而得到各种所需波形。 任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA输出、可变时钟计 数器寻址和直接数字频率合成等多种方式2。目前任意波形发生器的研制主要基 于DDS(直接数字频率合成)技术,与传统的频率合成器相比,DDS具有低成 本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点,广泛使用在通信、测量与电子仪 器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术。近20年发展迅速,因此许多国 家都在进行DDS专用芯片的研制。其中AD公司较为突出,如常见的AD9852、 AD9858等产品,现在又推出了性能更强大的AD9952、AD9958、AD9912。其 中AD9912包含可提供谐波杂散抑制的辅助低功耗DDS内核,以及48位频率调 谐字和内置比较器,具有1GSPS内部时钟速率和高达400MHz直接输出。 基于DDS技术的任意波形发生器的发展也同步进行,目前的任意波形发生 器的产品结构形式主要有三种:独立仪器结构形式、PC总线插卡式和VⅪI模块 式。近几年国际任意波形发生器技术主要发展,除了输出波形频率的提高和更方 便的波形输入外,便是与ⅴX资源的结合。在测量和产生复杂的任意波形时, VXI系统资源在这些应用中具有较为明显的优势,尤其对自动测试系统(ATE 特别有用。 任意波形发生器在商业研发生产中,以 Agilent公司和 Tektronix公司最具有 代表性,其任意波形发生器产品已经形成相当的市场占有率,并以优异的产品技 术,引领着该领域的发展。如: Agilent公司的N6030A任意波形发生器,它拥 有15位的垂直分辨率,125GS/s的采样频率,500MH的输出频率。 Tektronixκ 公司更是于2008年推出了性能与速度更为优异的产品:AWG700。采样频率 高达24GS/s,也可以做到96GHz有效RF频率输出。不仅如此,该产品还提 供了高达10位的垂直分辨率:10位(无标记输出)或8位(带有两个标记输出); 高达64M(64:80000点的记录长度,提供了更长的数据流;低至100f分辨率 的边沿定时位移控制;16000步序列功能,创建无穷大波形循环、跳转和条件 分支。能够生成高速串行信号、多电平信号、为存储设备测试生成信号、宽带 RF信号。 我国从90年代才开始研制任意波形发生器,比较有代表性的产品有北京普 源精电科技有限公司生产的DG3121A,它拥有14位的垂直分辨率、300MSa/ 的采样率和120MHz的最高频率输出。它是业界第一个具备了数字逻辑输出功 能的任意波形发生器。指标在国产的函数/任意波形发生器中处于优势地位,在 同类产品中,具有最完备的通信接口,具备RS232,USB,GPIB,LAN。但比 起同类产品 Agilent公司的33250A在脉冲频率和频率稳定度等方面还有很大差 距。不过普源还是在技术长有不少的创新,比如研制出了业界首台混合信号任意 波形发生器。北京凯弘仪器生产的基于DDS的函数发生器就很有特色,由于内 置了衰减器,能够实现最小01mVpp的输出和00ldB的分辨率。总体而言,国 产任意波形发生器自研制以来取得了巨大的进步,但是在最高采样率,最大输出 频率、频率稳定度和准确度等指标上和世界先进水平还存在着较大的差距 1.3发展趋势 由于电子测量技术及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的 迅速发展,促使信号发生器种类日益增多,性能日益提高,尤其随着70年代微 处理器的出现,更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在,许多信 号发生器除了带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形 形成和修正等功能外,还带有IEE488或RS232总线,可以和控制计算机及其 他测量仪器一起方便地构成自动测试系统。今后,任意波形发生器在较高的取样 率,分辨率,记录长度和线性等方面功能会更强,任意波形发生器在射频和无线 测试领域将会获得部分市场。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频 率精度、多功能、多用途、自动化和智能方向发展 14本文的主要工作 硬件设计 ●电源模块电路的设计: 各部件工作电压不同,有5V、3.3V、1.5V三种情况,因此须设计出满足各 部件正常工作的电源模块。 ●单片机系统与接口电路设计 单片机作为控制模块,实现与上位机信息传递与通信等各种功能,须设计出 单片机的控制模块与相关接口电路 ●D/A转换与滤波电路的设计 D/A转换器与滤波是整个电路的后续处理,D/A转换器实现波形的模拟输出、 滤波器则选择合适的滤波器完成对信号的修整。 ●基于FPGA的DDS模块电路的设计 FPGA实现DDS功能是整个设计的关键部分,根据相关原理,设计适合的 逻辑图。 ●整机PCB板设计 用 PROTEL DXP2004绘制电路板。 软件使用 ●用Kei1C51对单片机传递信息 在 Keil c51环境下,编写程序,完成计算机与单片机的通讯,Kei1提供了包 括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内 的完整开发方案,通过一个集成开发环境(μ vision)将这些部份组合在 起,为单片机的使用提供良好的平台。 ●在 QuartusⅡ下对FGA进行设计 在该环境下,实现FPGA的DDS电路设计 实现目标 波形要求:常规波形(正弦波、方波,三角波等)、任意波形 存储深度:1—1024个点 幅度分辨率:8位 输出频率范围:1Hz1MHz(固定波形) 设计目标:不仅可以生成方波、三角波、正弦波等标准波形,而且还要可以生成 用户所需要的任意波形,同时输出波形的频率和幅度均可编程控制。 4 第二章任意波形发生器的理论分析 本章首先介绍了频率合成技术的相关情况,并对三种不同形式的频率合成技 术进行分析。同时系统的阐述了DDS的基本组成结构、工作原理、工作特点与 技术指标,为DDS的构建打下理论基础。 21频率合成技术简介 频率合成是指从一个高稳定的参考频率,经过各种技术处理,生成一系列稳 定的频率输出。频率合成的概念就是由一个或几个参考频率通过一些转换,产生 个或多个频率信号的过程。频率合成技术一般分为直接式(DS)、间接式(PLL) 和直接数字式(DDS)三种基本形式。 早期的频率合成采用直接式的方式,是由一个或多个晶体震荡器经分频、倍 频、混频对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除运算产生所需要的频率信号, 并通过滤波器产出,这是最早的频率合成信号源的方法。目前该方法仍在使用, 主要是因为它频率转换速度、相位噪声低,比较容易实现4。但是该方式涉及的 合成器体积过于庞大,而且成本较高,结构复杂、产生任意波形的可控性较低 间接合成式是基于锁相环的原理,即PLL。它与前者相比,输出频率的稳定 度和准确度都有明显的提高,频谱纯度等性能也有较大改善。主要是因为信号源 的振荡频率被固定在频率计数器的时基上,也就是说以稳定度高的振荡器为基 准。因此,锁相环的输出频率就与基准频率一致,振荡器输出信号和参考信号之 间的相位差为固定的常数,而且锁相环的突出优点是能够抑制叠加到输入信号上 的噪声。这是直接式频率合成方法所不能达到的。PLL还有体积小、性价比较 高等一系列优点。但是PLL技术也有明显的缺点,采取闭环控制,系统的输出 频率改变后,重新达到稳定的时间也就比较长,一般为毫秒级,很难满足高频率 分辨率与快速转换率同时具备的要求,因此也有明显瑕疵。 直接数字频率合成技术从原理上实现了突破。前两种方法都是通过对基准频 率进行运算得出,而DDS技术则是从相位的概念进行频率合成。它按一定的相 位间隔,将待产生的波形幅度的二进制数据存储于高速存储器作为查找表,用参 考频率源(一般为晶体振荡器)作为时钟,用频率控制字决定每次从查找表中取 出波形数据的相位间隔,以产生不同的输出频率,对取出的波形数据通过高速 D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。直接数字频率合成技术的主要优 点是输出相位连续、相对带宽较大、频率分辨率很高、可编程、准确度和稳定度 都比较高。DDS技术是利用查表法来产生波形,而通过修改存储在ROM里的 数据,就可以产生任意波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯 齿波等常见波形,而且还可以根据需要利用各种编辑手段,产生传统函数发生器 所不能产生的真正意义上的任意波形。 DDSDirect Digital Synthesis)的概念首先由美国学者 J.Tiemcy, C. M.Rader和B.Gold在 1971年提出,但限于当时的技术和工艺水平,DDS技术仅仅限于理论研究,而没有应用到 实际中去。近20年来,随着Ⅴ LSI( Very Large Scale Integration),FPGA( Field Programmable Gates Array)以及DSP( Digital Signal Processing)的发展,这种结构独特的频率合成技术得到 了飞速发展。目前该技术已经被广泛用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等 相关领域中。 22DDS的基本原理和工作特点 22DDS的基本结构 DDS( Direct Digital Synthesis技术设计思想是基于数值计算信号波形的抽样 值来实现频率合成的。它包括数字器件与模拟器件两部分,主要有相位累加器 ROM波形查询表、数模转换器组成。其基本框图如下。 相位累加器 波形RoM D/A转换器 低通滤波器 控制字K 输出 时钟 图21DDS结构框图 (1)相位累加器是DDS的核心部分。一般是由数字全加器和数字寄存器组成 实现相位累加。如下图所示。 N 频率挖制字 K 加法器 备存器 时钟频率 c 图22相位累加器结构框图 般DDS的累加器都釆用二进制,线性数字信号通过相位累加器实现逐级 的累加。假设累加器字长为N,频率控制字为K,控制时钟频率为f,系统在同 【实例截图】
【核心代码】