vhdl函数发生器的设计
目 录
1．绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 国内外研究状况 1
2．函数发生器的实现原理 2
2.1频率合成器简介 2
2.1.1 频率合成器介绍 2
2.1.2 频率合成器的用途 2
2.2 DDS原理 2
3．硬件电路设计 4
3.1 FPGA核心板电路设计 4
3.2 D/A模块电路设计 6
3.3 数码管模块设计 7
3.3.1 FPGA接口 7
3.3.2 复位电路 8
3.3.3 共阳数码管 9
3.3.4 按钮模块 9
4．软件介绍与系统设计 11
4.1编程软件的介绍 11
4.1.1 Quartus II简介 11
4.1.2 Quartus II设计流程 11
4.2 函数信号发生器的系统设计 13
4.2.1分频模块设计 15
4.2.2 DDS模块设计 17
4.2.3波形产生模块设计 20
4.2.4控制模块设计 24
4.2.5数码管显示模块设计 24
5．系统调试 26
5.1调试 26
5.2现象结果 26
总 结 31
参考文献 32
致 谢 33
附录 程序 34
附录 原理图 37
1. 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
函数发生器属于一种信号源，它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形。它不但可以用于试验测试、仪器仪表修理，还普遍运用在医学、通讯、军事、宇航等众多高新领域。早在60年代，电子设备开始普及应用时，函数发生器就已经产生，它和示波器、电压表等仪器一样，属于最基本的测量仪表。随着电力电子技术的发展，人们对函数发生器的要求也越来越高，不但需要产生方波、正弦波等简单波形，还可以依据人们对测量的具体要求产生任意形状的波形，且易于操作，波形稳定，精度较高。为适应电力电子技术的发展，高
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性能函数发生器的研究和生产是非常有必要的，有着非常重要的现实意义。
1.2 国内外研究状况
自60年代，电力电子技术的迅速发展，应运而生了函数发生器。此阶段的函数发生器大部分是运用模拟电子技术，它的主要构成有分立元件和模拟集成电路两部分，其电路结构比较复杂，而且只能产生正弦波、方波以及锯齿波这样的一些简易波形。
70年代左右，微处理器出世，这个时期的函数发生器大部分是采用软件进行设计，主要运用单片机、A/D转换器以及D/A转换器产生一些稍微复杂点的波形。它的实质是采用微处理器控制数模转换器，输出所需要得到的波形。
80年代后，数字电子技术的逐渐成熟，促使函数发生器开始采用数字电路，它的工作原理是从数字合成电路产生可变频率信号。
直到上世纪90年代末，真正意义上的高性能函数发生器才由惠普公司推出，当时的型号为HP770S，它的主要组成分为任意波形数字化和波形发生软件两部分。
函数发生器技术的发展到目前为止，国外几家大公司仍处于领先水平，如Agilent、Tektronix等。美国FLUKE公司推出的FLUKE25型函数发生器是目前最杰出的函数发生器之一，它在现有测量领域中，具有多样化的功能。在任何条件下，该型号函数发生器都能给出高质量的波形，频率最高可以达到5MHz，最大输出幅度也能够达到10Vpp。目前，有许多由国内公司开发的函数发生器也具备了类似的功能，如spf120dds信号发生器，它是由南京盛普仪器科技有限公司生产的。尽管我国函数发生器技术的起步相对国外而言比较晚，但发展到现在，也慢慢地跟上了国际水平。
2．函数发生器的实现原理
到目前为止，函数发生器的实现主要是通过频率合成器。通过对函数信号发生器实现原理进行了解，经过综合考虑，决定采用能够便于调节频率的直接频率合成(DDS)技术实现函数信号发生器。
2.1频率合成器简介
2.1.1 频率合成器介绍
频率合成器的主要功能是利用一个或多个信号，采用各种技术方法产生众多离散的频率信号。如今，随着电力电子技术和数字集成技术的发展，频率合成技术经过了三个阶段的研究。现在大家普遍使用的频率合成技术是直接数字式频率合成(DDS)技术。它属于第三代频率合成技术，并且发展迅速。它采用数字信号处理理论，从信号的相位开始频率合成，优势主要有：具有很高的频率分辨率、频率转换时间很短、相对较宽的带宽、任意波形输出能力和数字调制功能较强，正广泛地应用于各个高新科技领域。特别是在短波跳频通信领域中，信号在很宽的频带上跳动，要求快速切换频率和相位，因此采用DDS技术产生短波跳频信号源是一个不错的方法。这种方法操作计较简单、易于控制，而且，频率的分辨率相对较高。
2.1.2 频率合成器的用途
频率合成器主要是给微波信号一定分辨率的参考信号，然后逐步对微波信号的输出频率进行锁定，使扫频输出信号具有更高得准确度和稳定度。
扫频输出信号和点频输出信号是微波合成扫频的基本功能。而点频输出信号又是扫频输出信号的基础。
2.2 DDS原理
直接数字式频率合成器（DDS），简单的说，就是一个分频器：通过对系统时钟频率的频率进行编程，以达到产生期望的频率的目的。DDS 有两个非常明显的特点，一个特点是，DDS在工作时，一旦更新控制频率，输出的频率就随之而变化，跳频速度十分快；另一个特点是，由于控制频率的宽度比较宽，所以DDS技术的使用可以有较高的频率分辨率。
DDS主要由三部分组成，分别是相位累加器、相位幅度转换和数模转换器（DAC）。
DDS技术是一种先进的数字技术，它在频率合成方面运用十分广泛。如果使用DDS技术，我们就可以有一个比较宽的相对带宽，能够维持较长的频率转换时间，并且相位稳定性高且连续性强。它所产生的性能是使用传统频率合成技术产生的信号源所无法比拟的，更加不可能被模拟信号源所取代，在高科技领域中应用十分广泛。在本设计中，我们主要是通过FPGA 芯片来实现了DDS的功能。
3．硬件电路设计
本设计的硬件电路主要分为三个电路模块，他们分别是D/A电路模块、FPGA核心板电路模块以及数码管电路模块，本章的主要内容是对分别这三个模块进行硬件电路设计。硬件实物图如图31所示。
1．绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.2 国内外研究状况 1
2．函数发生器的实现原理 2
2.1频率合成器简介 2
2.1.1 频率合成器介绍 2
2.1.2 频率合成器的用途 2
2.2 DDS原理 2
3．硬件电路设计 4
3.1 FPGA核心板电路设计 4
3.2 D/A模块电路设计 6
3.3 数码管模块设计 7
3.3.1 FPGA接口 7
3.3.2 复位电路 8
3.3.3 共阳数码管 9
3.3.4 按钮模块 9
4．软件介绍与系统设计 11
4.1编程软件的介绍 11
4.1.1 Quartus II简介 11
4.1.2 Quartus II设计流程 11
4.2 函数信号发生器的系统设计 13
4.2.1分频模块设计 15
4.2.2 DDS模块设计 17
4.2.3波形产生模块设计 20
4.2.4控制模块设计 24
4.2.5数码管显示模块设计 24
5．系统调试 26
5.1调试 26
5.2现象结果 26
总 结 31
参考文献 32
致 谢 33
附录 程序 34
附录 原理图 37
1. 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
函数发生器属于一种信号源，它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形。它不但可以用于试验测试、仪器仪表修理，还普遍运用在医学、通讯、军事、宇航等众多高新领域。早在60年代，电子设备开始普及应用时，函数发生器就已经产生，它和示波器、电压表等仪器一样，属于最基本的测量仪表。随着电力电子技术的发展，人们对函数发生器的要求也越来越高，不但需要产生方波、正弦波等简单波形，还可以依据人们对测量的具体要求产生任意形状的波形，且易于操作，波形稳定，精度较高。为适应电力电子技术的发展，高
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
性能函数发生器的研究和生产是非常有必要的，有着非常重要的现实意义。
1.2 国内外研究状况
自60年代，电力电子技术的迅速发展，应运而生了函数发生器。此阶段的函数发生器大部分是运用模拟电子技术，它的主要构成有分立元件和模拟集成电路两部分，其电路结构比较复杂，而且只能产生正弦波、方波以及锯齿波这样的一些简易波形。
70年代左右，微处理器出世，这个时期的函数发生器大部分是采用软件进行设计，主要运用单片机、A/D转换器以及D/A转换器产生一些稍微复杂点的波形。它的实质是采用微处理器控制数模转换器，输出所需要得到的波形。
80年代后，数字电子技术的逐渐成熟，促使函数发生器开始采用数字电路，它的工作原理是从数字合成电路产生可变频率信号。
直到上世纪90年代末，真正意义上的高性能函数发生器才由惠普公司推出，当时的型号为HP770S，它的主要组成分为任意波形数字化和波形发生软件两部分。
函数发生器技术的发展到目前为止，国外几家大公司仍处于领先水平，如Agilent、Tektronix等。美国FLUKE公司推出的FLUKE25型函数发生器是目前最杰出的函数发生器之一，它在现有测量领域中，具有多样化的功能。在任何条件下，该型号函数发生器都能给出高质量的波形，频率最高可以达到5MHz，最大输出幅度也能够达到10Vpp。目前，有许多由国内公司开发的函数发生器也具备了类似的功能，如spf120dds信号发生器，它是由南京盛普仪器科技有限公司生产的。尽管我国函数发生器技术的起步相对国外而言比较晚，但发展到现在，也慢慢地跟上了国际水平。
2．函数发生器的实现原理
到目前为止，函数发生器的实现主要是通过频率合成器。通过对函数信号发生器实现原理进行了解，经过综合考虑，决定采用能够便于调节频率的直接频率合成(DDS)技术实现函数信号发生器。
2.1频率合成器简介
2.1.1 频率合成器介绍
频率合成器的主要功能是利用一个或多个信号，采用各种技术方法产生众多离散的频率信号。如今，随着电力电子技术和数字集成技术的发展，频率合成技术经过了三个阶段的研究。现在大家普遍使用的频率合成技术是直接数字式频率合成(DDS)技术。它属于第三代频率合成技术，并且发展迅速。它采用数字信号处理理论，从信号的相位开始频率合成，优势主要有：具有很高的频率分辨率、频率转换时间很短、相对较宽的带宽、任意波形输出能力和数字调制功能较强，正广泛地应用于各个高新科技领域。特别是在短波跳频通信领域中，信号在很宽的频带上跳动，要求快速切换频率和相位，因此采用DDS技术产生短波跳频信号源是一个不错的方法。这种方法操作计较简单、易于控制，而且，频率的分辨率相对较高。
2.1.2 频率合成器的用途
频率合成器主要是给微波信号一定分辨率的参考信号，然后逐步对微波信号的输出频率进行锁定，使扫频输出信号具有更高得准确度和稳定度。
扫频输出信号和点频输出信号是微波合成扫频的基本功能。而点频输出信号又是扫频输出信号的基础。
2.2 DDS原理
直接数字式频率合成器（DDS），简单的说，就是一个分频器：通过对系统时钟频率的频率进行编程，以达到产生期望的频率的目的。DDS 有两个非常明显的特点，一个特点是，DDS在工作时，一旦更新控制频率，输出的频率就随之而变化，跳频速度十分快；另一个特点是，由于控制频率的宽度比较宽，所以DDS技术的使用可以有较高的频率分辨率。
DDS主要由三部分组成，分别是相位累加器、相位幅度转换和数模转换器（DAC）。
DDS技术是一种先进的数字技术，它在频率合成方面运用十分广泛。如果使用DDS技术，我们就可以有一个比较宽的相对带宽，能够维持较长的频率转换时间，并且相位稳定性高且连续性强。它所产生的性能是使用传统频率合成技术产生的信号源所无法比拟的，更加不可能被模拟信号源所取代，在高科技领域中应用十分广泛。在本设计中，我们主要是通过FPGA 芯片来实现了DDS的功能。
3．硬件电路设计
本设计的硬件电路主要分为三个电路模块，他们分别是D/A电路模块、FPGA核心板电路模块以及数码管电路模块，本章的主要内容是对分别这三个模块进行硬件电路设计。硬件实物图如图31所示。
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