基于FPGA的任意波形发生器硬件系统设计与实现

摘要

信号发生器是现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，广泛用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。随着现在电子技术的飞速发展，待测设备的种类越来越丰富，测试所需的激励信号越来越复杂，传统的信号发生器已经不能满足这些测试的需要。任意波形发生器的出现，为现代电子测量提供了一种全新的解决方案，它除了可以生成常见的标准波形之外，还可以利用微处理器通过波形编辑软件生成系统测试所需的任意波形信号，其性能明显优于传统的信号发生器，可以很好的满足现代电子测量的需要，它代表了信号源的发展方向。
　　 任意波形发生器在现代电子测量领域的迅速发展，其关键在于直接数字频率合成(DDS)技术的提出。直接数字频率合成技术是二十世纪七十年代提出的一种全数字的频率合成技术，它具有频率转换快速、频率分辨率高、低相位噪声，变频相位连续等优良特性，其通过查找表合成波形的方式为任意波形的生成提供了良好的技术手段。近年来随着现代电子技术和VLSI技术的飞速发展，现场可编程门阵列(FPGA)的资源容量、工作频率以及集成度都得到了极大地提高，为实现DDS电路提供了有利的条件，通过FPGA编程定制系统所需的DDS电路，具有很好的设计灵活性，不但降低了生成成本，还提高了任意波形发生器的性能。这也是本课题研究的主要内容。
　　 本文从DDS的基本原理出发，系统的阐述了DDS的波形合成理论，通过对其数学综合表达式的推导，着重对DDS输出信号的频谱特性及其频谱杂散进行详细的分析，并对其频谱杂散的改善方法进行研究，为DDS硬件电路的设计打下坚实的基础。通过对当前两种基于DDS技术的任意波形发生器的设计方法进行比较分析后，提出在FPGA内设计以双DDS电路结构为核心电路的任意波形发生器的整体设计方案，包括系统功能逻辑、系统控制模块、总线接口电路以及滤波电路等FPGA外围电路的设计。在编程实现DDS波形合成电路的同时，采用流水线的方法改进了DDS的电路结构，扩展了其输出带宽。通过对信号各种调制原理的深入研究，在FPGA内实现了FM、AM、FSK、扫频以及猝发等调制功能模块，用数字的方法直接实现了信号的调制输出。在此基础上，通过总线接口电路及系统指令集的设计，实现了信号发生器的SOPC硬件系统集成，并同时完成了系统相关测试软件的设计。
　　 通过测试表明，本系统输出信号的频率分辨率能达到30mHz，在DAC125MHz的采样率下，最高输出频率可达30MHz，频率精确度优于0.1％，在输出端接50的负载时，输出信号幅度特性保持完好，在输出信号低于2MHz时，输出信号谐波失真达到了-60dB，系统整体输出波形谐波失真优于-36dB，可以很好的满足系统测试需要。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 频率合成技术的发展和现状

1.2.1 频率合成技术的发展状况

1.2.2 信号发生器的发展状况

1.3 主要研究内容及论文组织结构

1.4 本章小结

第二章 任意波形发生器硬件电路总体设计

2.1 任意波形发生器的基本结构

2.2 系统硬件电路总体设计方案

2.2.1 系统设计方案分析

2.2.2 系统硬件电路总体设计

2.3 系统设计平台

2.3.1 基于FPGA的SOPC设计平台

2.3.2 实验设计平台

2.4 本章小结

第三章 DDS电路及各功能模块的设计与实现

3.1 DDS的基本原理及技术特性

3.1.1 DDS的基本原理

3.1.2 DDS的技术特性

3.2 DDS硬件电路的实现

3.2.1 相位累加器的设计

3.2.2 波形存储器RAM的设计

3.2.3 D/A转换电路

3.2.4 低通滤波器的设计

3.3 杂散抑制模块设计

3.3.1 DDS的杂散来源

3.3.2 相位扰乱模块的设计

3.4 频率调制电路的实现

3.4.1 FM调制模块的设计

3.4.2 扫频模块设计

3.5 幅度调制电路设计

3.6 数字调制电路的实现

3.6.1 BFSK频移键控模块设计

3.6.2 BASK振幅键控模块设计

3.6.3 BPSK相移键控模块设计

3.7 猝发模块设计

3.8 PWM调制模块设计

3.9 方波生成电路设计

3.10 白噪声发生模块设计

3.11 系统硬件主控制模块设计

3.12 本章小结

第四章 任意波形发生器系统集成

4.1 DDS自定义组件的总体设计

4.2 DDS组件寄存器定义

4.2.1 寄存器组定义

4.2.2 系统工作模式指令定义

4.3 DDS组件Avalon总线端口设计

4.4 SOPC系统定制

4.5 Flash文件系统

4.6 系统测试程序设计

4.6.1 HAL编程环境

4.6.2 测试程序

4.7 本章小结

第五章 系统性能测试

5.1 系统测试平台及测试条件

5.2 系统波形生成能力测试

5.2.1 标准波形输出测试

5.2.2 调制波形输出测试

5.2.3 双通道波形输出测试

5.3 系统性能参数测试

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间发表的论文

附录A