基于FPGA函数信号发生器的设计与实现

摘要

任意波形发生器已成为现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，代表了信号源的发展方向。直接数字频率合成(DDS)是二十世纪七十年代初提出的一种全数字的频率合成技术，其查表合成波形的方法可以满足产生任意波形的要求。由于现场可编程门阵列(FPGA)具有高集成度、高速度、可实现大容量存储器功能的特性，能有效地实现DDS技术，极大的提高函数发生器的性能，降低生产成本。 本文首先介绍了函数波形发生器的研究背景和DDS的理论。然后详尽地叙述了用FPGA完成DDS模块的设计过程，接着分析了整个设计中应处理的问题，根据设计原理就功能上进行了划分，将整个仪器功能划分为控制模块、外围硬件、FPGA器件三个部分来实现。最后就这三个部分分别详细地进行了阐述。 在实现过程中，本设计选用了Altera公司的EP2C35F672C6芯片作为产生波形数据的主芯片，充分利用了该芯片的超大集成性和快速性。在控制芯片上选用了三星公司的上S3C2440作为控制芯片。本设计中，FPGA芯片的设计和与控制芯片的接口设计是一个难点，本文利用Altera的设计工具QuartusⅡ并结合Verilog—HDL语言，采用硬件编程的方法很好地解决了这一问题。论文最后给出了系统的测量结果，并对误差进行了一定分析，结果表明，可输出步进为0.01Hz，频率范围0.01Hz～20MHz的正弦波、三角波、锯齿波、方波，或0.01Hz～20KHz的任意波。通过实验结果表明，本设计达到了预定的要求，并证明了采用软硬件结合，利用FPGA技术实现任意波形发生器的方法是可行的。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1背景与意义

1.2国内外动态

1.2.1波形发生器的发展状况

1.2.2国外波形发生器产品介绍

1.3函数波形发生器的几种实现方式

1.3.1程序控制输出方式

1.3.2 DMA输出方式

1.3.3可变时钟计数器寻址方式

1.3.4直接数字频率合成方式

1.4本设计的主要工作

第二章直接数字频率合成器的原理及性能

2.1频率合成器简介

2.1.1频率合成技术概述

2.1.2频率合成器主要指标

2.2.DDS原理

第三章基于FPGA的DDS模块的实现

3.1现场可编程门阵列(FPGA)简介

3.2 Quartus Ⅱ5.0开发基本步骤

3.3任意波形发生器的FPGA实现

3.3.1 FPGA设计流程

3.3.2 FPGA设计模块划分

3.3.3时钟模块

3.3.4 48位寄存器设计

3.3.5地址发生器设计

3.3.6波形数据存储器的设计

3.3.7任意波形模块设计

3.3.8 FPGA实现串口设计

3.3.9 FPGA设计结果报告

3.4本章小结

第四章系统硬件设计

4.1系统硬件总体框图

4.2控制模块设计

4.2.1 ARM芯片S3C2440的特点

4.2.2主控制模块

4.2.3键盘电路

4.2.4显示电路

4.2.5 SDRAM连接电路

4.2.6 FLASH连接电路

4.3模数转换电路DAC的设计

4.4滤波电路模块的设计

4.5本章小结

第五章系统软件设计

5.1嵌入式LINUX操作系统

5.1.1系统bootload

5.1.2系统内核

5.1.3文件系统

5.2系统驱动程序

5.3界面应用程序

第六章系统性能测试与误差分析

6.1硬件电路安装及调试

6.2系统性能测试

6.3误差分析

第七章结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文