一種基于FPGA的信號發生器研究與設計

孔德鵬，毛惠豐，姬占濤

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

·大規模集成電路設計、制造與應用·

一種基于FPGA的信號發生器研究與設計

孔德鵬，毛惠豐，姬占濤

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

基于數字頻率合成技術，生成數字化正弦波，采用模塊化設計和查表的方法實現。直接數字合成技術是一種先進的電路結構，能在全數字下對輸出信號頻率進行輸出，在精度、靈活性上大大超越了模擬信號發生器。在Quartus II環境下，用超高速集成電路硬件描述語言編程，進行模塊化設計。使用ALTERA公司提供的EP1K30TC144－3芯片作為核心器件進行設計，來實時生成數字化波形，結合GW48－CK實驗開發系統，最終給出了信號發生器的設計方案。

現場可編程門陣列；直接數字合成技術；模塊化設計；查表法

1 引 言

傳統的信號發生器是使用模擬電路或者專用芯片搭建而成，存在頻率不高，穩定性較差，且不易擴展和調試的缺陷。

數字化波形技術的應用越來越廣泛，例如正弦波信號發生器，正弦波振蕩器，正弦波逆變器等。數字正弦波的精度高，誤差小，在工業應用中比模擬電路產生的正弦波更穩定，更精確。設計一種以FPGA為基礎的數字化波形信號發生器。該方法采用直接數字合成技術，改變了以往的設計思路，在精度、靈活性上大大超越了模擬信號發生器。隨著可編程邏輯器件FPGA的迅速發展，基于FPGA控制的信號發生器使得電路設計更加簡單和精確。

以此產生的波形信號為其它系統提供波形，它是各類波形發生器和信號源的基礎，采用FPGA結合簡單電路就可以實現輸出正弦波或三角波，可以很方便的改變頻率大小，具有電路結構簡單、工作頻率穩定度高、頻率調整精度高等特點，該設計也可以直接拓展到其它領域的電路中。

2 正弦波信號的產生方法概述及原理分析

2.1 正弦波信號的產生方法概述

工程實踐中常用的正弦波信號生成方式有以下兩種。方式1，使用模擬電路或者專用芯片搭建而成，可以產生方波，正弦波，三角波，通過調整外部元件可以改變輸出頻率。但是采用模擬器件分散性大，存在頻率不高，抗干擾能力差，成本也較高且不易擴展和調試的缺陷。方式2，由單片機來完成。單片機功能強大，集成度高且其設計和控制比較容易。但是由于單片機設計系統中需使用許多分立元件組成單片機的外圍電路，因此系統復雜，隨著采用數據的增加，需要占用系統很多存儲資源，復雜的運行過程容易出現死機或進入死循環，可靠性降低。

基于FPGA的正弦波信號發生器的設計方法可以實現三角波和正弦波的數字化處理，將一個周期內的采集點存儲起來，生成頻率和幅值都可調的正弦波或者三角波，再通過D/A轉換和濾波電路便可得到模擬波形。該方法編程簡單，實現靈活。

2.2 基于FPGA的正弦波產生原理

圖1給出了基于FPGA的正弦波發生器的組成示意圖。系統由4部分組成：波形發生控制電路，波形數據ROM，D/A轉換和濾波電路。波形發生控制電路由FPGA來完成。FPGA波形發生控制電路通過輸入控制信號和高速時鐘信號，向波形數據ROM發出地址信號。波形ROM中存有發生器的波形數據。取出采樣點的幅值就可以產生數字化的波形。

圖1 波形發生器組成示意圖

正弦波在一個周期內的波形可以通過數字采樣實現，即用N個幅值離散的等間隔采樣點表示。如圖2為正弦波采樣的原理示意圖，設周期為T，采樣點數為N，采樣間隔為△t，T＝N*△t，那么就可以得到圖示的數字信號。要改變頻率只需要改變采樣時間間隔，由于采樣點數N不變，N＝T/△t，因此△t越小，T就越小，對應的頻率就越大。

D/A轉換器負責將FPGA中ROM輸出的數字量數據轉換成模擬信號量，再經過濾波電路后，輸出就是所要得到的需要波形。輸出波形的頻率上限與D/A器件的轉換速度有重要關系。本實驗采用DAC0832器件。

圖2 正弦波采樣原理示意圖

3 基于FPGA信號發生器的模塊化設計

FPGA的模塊化設計就是按照一定規則把系統劃分成若干模塊，然后對每個模塊分別進行設計，并將結果約束在預先設置好的區域內，最后將所有模塊有機的組織起來完成整個系統設計。下面對需要設計的模塊進行介紹。

3.1 FPGA的輸入輸出模塊

輸入模塊采用按鍵輸入，同時通過按鍵來改變波形和頻率。輸出端口輸出八位二進制碼，代表數字化的正弦波形。輸出受內部程序控制，通過FPGA與DAC0832的互聯接口輸出模擬波形。

3.2 波形發生模塊

由于波形發生控制器和波形數據ROM都是利用硬件描述語言VHDL編程實現的，所以統稱為波形發生模塊。波形發生模塊包括頻率設置、正弦波/三角波切換進程。

具體ROM模塊生成步驟如下：

（1）建立.mif格式文件

在Quartus II的ROM數據編輯窗口中建立.mif或.hex格式文件，然后將波形數據填入mif文件表中，如圖3所示，波形數據mif表格。在表格中輸入正弦波形數據，表格中的數據為10進制形式，任一數據（如第三行的99）對應的地址為左列數與頂行數之和）。共64個波形點。

圖3 波形數據mif表格

（2）定制ROM元件

根據需求設置Mega Wizard Plug－in manager，根據設置得到ROM模塊的外部原理圖，即ROM模塊的結構。如圖4所示，并且生成相應的ROM模塊VHDL程序。

圖4 ROM的外部原理圖

（3）驗證ROM模塊的正確性

為了驗證正弦波波形數據的正確性，在應用ROM模塊之前，首先對定制的ROM模塊進行仿真，使其符合我們的設計要求。仿真數據如圖5所示。

圖5 ROM數據仿真輸出波形

3.3 D/A轉換模塊及濾波電路

D/A轉換器負責將ROM輸出的二進制數字信號換成模擬信號，再經濾波電路后輸出。DAC0832是8位D/A轉換器，轉換周期為1μs，其引腳信號可以直接與FPGA目標芯片相連。它典型的接口方式如圖6所示。其參考電壓與＋5V工作電壓相接。

濾波電路采用簡單的RC濾波就可以達到要求。

4 基于FPGA的信號發生器程序設計

軟件設計分為三個進程。正弦波/三角波切換進程，頻率設置進程，以及波形數據ROM。如正弦波，分為64個采樣點，最高采樣點值為255，對應的八位二進制數為11111111。通過給輸入信號設定值，改變內部采樣時鐘脈沖的時間△t，讓FPGA取出波形數據ROM中的采樣點數據，設定值的大小直接影響采樣速率，使得輸出的波形頻率產生變化。

結合所有設計需要和期間內部資源，進行軟件程序設計，程序流程圖如圖7所示。

程序初始化后，通過按鍵輸入，可以按鍵設置頻率，切換輸出三角波或者正弦波。實現預設功能。

5 實驗結果分析

連接示波器到DAC0832輸出口DOUT，調節示波器各項參數設置，進行測試。根據示波器的顯示，可以直觀的觀察波形頻率、周期以及幅值大小，和軟件仿真結果對比，驗證實驗結果的正確性。以下是示波器觀察得到的波形圖。

設置輸入鍵1，2位為00時，即輸入data為00000000，觀察到的波形如圖8所示。

圖6 DAC0832接口電路

圖7 軟件設計流程圖

圖8 輸出頻率最小的波形圖

設置輸入鍵1，2位為FE時，即輸入data為11111110，觀察到的波形如圖9所示。

圖9 輸出頻率最大的波形圖

由圖8所示，圖中輸出的最小頻率為764.5Hz，周期最大為1.308ms。同樣，由圖9所示，圖中輸出的最大頻率為98.04KHz，周期最小為10.20μs。

在相同條件下進行對比，時鐘CLK都為50MHz，進行軟件仿真與實驗對比，結果如表1所示。

表1 軟件仿真與實驗對比

輸出頻率最小時刻，仿真與實驗誤差在1.15Hz，誤差精度為0.001。輸出頻率最大時刻誤差在0.38KHz附近，誤差精度為0.0038。

通過按鍵實現波形在正弦波和三角波之間的切換，下圖為波形切換為三角波輸出時的波形圖，如圖10所示。三角波的頻率變化和正弦波一致。波形切換可以在任意時刻進行。

圖10 三角波波形

6 結束語

在研究基于FPGA的數字化信號發生器設計的基本原理及其優缺點的基礎上，給出了相關的仿真結果與最終的實驗結果。仿真與實驗結果表明，該方法具有簡單、可靠、精度高、可移植性好等優點，具有一定的工程實踐價值。

在實驗測試時，低頻段波形輸出比較正常，輸出頻率達到高頻（f＞20KHz）段時，波形輸出幅值開始衰減，頻率越大，幅值衰減越嚴重。

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Design and Research of Signal Generator Based on FPGA

Kong Depeng，Mao Huifeng，Ji Zhantao
（School of Electronic Information，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

Based on the digital frequency synthesis technology，the digital sine wave is generated by modular design and look－up tablemethod.The direct digital frequency synthesis technology，as a kind of advanced circuit structure，can output in full digital signal frequency.So it ismuch better than the analog signal generator in precision and flexibility.In the circumstances，Quartus II，with very－highspeed integrated circuithardware description language，themodular design is conducted by programming.EP1K30TC144－3 chip from ALTERA，as the core component，is used formicrochip design to generate digital wave in real－time.Combining with the experiment development system GW48－CK，the signal generator design scheme is finally provided.

Field programmable gate array；Direct digital frequency synthesis technology；Modular design；Look－up table

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.001

TP346

A

1002－2279（2015）01－0001－04

孔德鵬（1990－），男，安徽省阜陽市人，碩士研究生在讀，主研方向：數字PWM控制技術，伺服控制。

2014－06－27