基于fpga與單片機的多功能信號發生器的設計與實現

宗接華+趙春紅+王超

摘要：文章設計的多功能信號發生器以FPGA芯片為系統核心，利用單片機進行系統控制，采用液晶屏作為顯示界面，設計的信號發生器可以產生正弦波、三角波、矩形波及任意波形等信號，并且信號具有精度高、頻帶寬、穩定度高等特點。

關鍵詞：信號發生器；FPGA；單片機

信號發生器是一種常用的信號源，在教學科研、生產、遙感遙測等眾多場合都有著廣泛的應用，是一種為電子測量工作提供電信號的設備，和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣是最基本也是應用最廣泛的電子儀器之一[1]。隨著近年來電子技術的迅猛發展，電子測量工作對于包含波形發生器在內的電子測量儀器提出了越來越高的要求。為適應現代電子技術的不斷發展和市場需求，研究制作高性能的多功能波形發生器十分必要。

1方案比較及選擇

信號發生器主要可以采用兩種方案來實現。一種方案是以AD公司的直接數字頻率合成芯片為核心，通過單片機進行控制，從而輸出信號波形。另一種方案是以現場可編程門陣列（Field Programmable GateArray，FPGA）芯片為核心，采用直接數字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術，以單片機芯片為控制器，從而實現波形輸出。將以上兩種方案進行比較，方案一的特點是頻率范圍寬、頻率穩定度高、編程工作量較少，但是只能輸出正弦波和方波且成本較高；方案二的特點是頻率范圍寬、頻率穩定度較高，不僅可輸出正弦波和方波這兩種常用波形，同時還可以輸出三角波、鋸齒波及任意波形，且成本較低。故本設計采用方案二來實現。

2系統總體設計

本設計以FPGA芯片EP4C6E22C8為核心，以單片機AT89S51為控制器，通過矩陣式鍵盤進行輸入輸出控制，液晶屏1602為顯示界面，可實現正弦波、方波、三角波、鋸齒波及任意波等波形的輸出，如圖1所示。本設計輸出頻率范圍為0.1Hz?10MHz，頻率分辨率為0.1Hz，頻率穩定度較高。

3系統主要模塊電路

3.1單片機控制電路

單片機芯片在整個系統中起到控制協調作用。該電路包含4X4矩陣式鍵盤，通過鍵盤可以輸入各種頻率值，同時通過鍵盤中的控制鍵可以實現整個系統的復位、頻率數據的發送等操作。單片機外圍連接了1602液晶顯示屏，可以將當前的頻率、波形類型及輸入頻率、預設波形類型顯示出來。單片機要根據輸入的頻率值，計算出相應的頻率控制字，計算的公式如下所示：

其中，f是輸出頻率，fc為FPGA芯片的時鐘信號，頻率為160M，相位累加器的寬度n取值為40。

3.2基于FPGA的DDS電路

DDS以高精度時鐘信號作為參考，經由相位累加器及寄存器，在正弦查找表中找到相應的幅值信息，通過D/A變換得到相應的數字信號，再選用低通濾波器，最后輸出正弦信號[2]。本設計選用FPGA芯片EP4C6E22C8作為系統的核心，該芯片的功能分成3個模塊：控制邏輯模塊、IP核模塊及信號生成模塊。

控制邏輯模塊主要實現與單片機的通信，接受單片機傳送過來的48位頻率控制字，同時為了增強系統的穩定性，在本模塊采取了相應措施解決了亞穩態問題。

為了提高系統的設計效率和穩定性，本系統選用Altera公司定制好的IP核，分別來產生正弦信號、三角波信號以及任意波形信號。方波信號通過生產一個比較器來產生。

信號生產模塊是FPGA芯片的頂層模塊，在編寫代碼的過程中，需將以上兩個模塊例化，同時該模塊有兩個引腳與單片機相連，由單片機來控制最終輸出的數字波形信號。

3.3D/A轉換電路及放大電路

為了將FPGA輸出的數字信號轉換為模擬信號，本設計采用DAC908芯片來實現。該DAC908是一種高速芯片，輸入數字量位寬為8位。該芯片具備出色的更新速率，并特別適合于滿足多種應用的需求。DAC908具有高阻抗，電流輸出能提供20mA的標稱范圍和高達1.25V的輸出標準。差分輸出允許兩個差分或單端模擬信號的接口。

D/A轉換電路的后級采用OPA690芯片構成放大電路，同時將電流信號轉換為電壓信號輸出，如圖2所示。OPA690芯片具有頻帶范圍寬、單位增益穩定、高轉換速率、高輸出電流及低電源電流等特點，可單電源或雙電源供電，使用靈活。

3.4濾波電路

從放大電路輸出的信號波形含有大量的諧波，從而影響了信號的質量。為了進一步提升輸出信號的質量，可以采

用低通濾波器對該信號進行濾波。本系統采用專用的濾波器設計軟件BiterSolution進行濾波器設計，經過比選，確定了一個七階橢圓低通濾波器，如圖3所示。

4系統測試

本系統采用了泰克示波器、直流電壓源等實驗儀器儀表進行了測試和測量。

4.1輸出頻率穩定測試

通過對特定頻率信號進行測試，數據整理如表1所示，部分實測波形如圖4所示。

4.2系統功能測試

（1）波形輸出類型：正弦波、三角波、方波及任意波形。（2）波形輸出頻率范圍：0.1Hz?10MHz。（3）輸出信

號頻率穩定度：優于10-4。（4）輸出電壓幅度：在空載情況下用示波器測得的電壓峰-峰值Vop-p為2V左右。（5）失真度：在0?10M范圍內，正弦信號、三角信號為明顯失真，方波信號在1MHz以上出現了失真。

5結語

本文以FPGA芯片為核心，利用單片機進行控制，可以輸出多種常用信號，克服了以上缺點。經過產品總體測試，各項功能均己按預定的指標實現，且性能較為穩定。并且系統的整體價格較低，可以在高校、科研所、電子公司推廣使用。

[參考文獻]

[1]許開華.DDS任意波形發生器波形數據生成及傳輸接口設計[D].成都：電子科技大學，2007.

[2]宗接華.基于DDS的實用信號發生器設計[D].長沙：湖南大學，2011.endprint