基于fpga的任意信号发生器(附件)【字数：11305】
摘 要随着数字信号处理、集成电路技术的快速发展，现场可编程逻辑门阵列具有编程可重复性、丰富的资源以及速率高等性能，以FPGA技术为核心的信号发生器与传统的分立元件式模拟信号发生器相比有明显的优势，将FPGA技术用于研究和设计信号发生器，不仅能够得到频率精确的信号，还能使得设计更简便且更易于实现，系统的稳定性也能得到提高。信号发生器是一种几乎被用于所有电参量的测量的仪器之一。本毕业设计是基于FPGA技术做一个波形可任选、频率在1-4999Hz范围内可调的信号发生器，该信号发生器从相位的概念出发、利用采样定理、通过波形数据查表法产生波形，最终能够按照设定好的参数值，在示波器的屏幕上显示出与所设参数相对应的波形。基于FPGA技术研制一个可以产生任意波形信号的发生器，具有现实的意义。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2信号发生器的发展以及国内外研究现状 1
1.3课题的现实应用 1
1.4课题研究的意义 2
1.5课题研究的主要内容 2
第二章 FPGA技术以及Verilog语言简介 3
2.1 FPGA简介 3
2.1.1 FPGA技术 3
2.1.2 FPGA发展趋势 3
2.1.3 FPGA特点 3
2.2 DDS基本原理 3
2.3 Basys3开发板概述 4
2.3.1 Basys3开发板简介 4
2.3.2 开发板硬件电路 4
2.3.3 开发板关键特性 5
2.4 开发平台概述 5
2.4.1 Vivado软件简介 5
2.4.2 开发流程 5
2.4.3 开发平台关键特性 6
2.5 Verilog语言简介 6
第三章 系统整体方案的设计 7
3.1 基于FPGA的信号发生器设计要求 7
3.2 课题的设计方案流程图 7
3.3 方案的设计的关键和难点 8
3.4 系统设计的注意事项 8
3.5 小结 8
第四章 系统各模块的实现 9
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/> 4.1 按键设置模块 9
4.2 拨码选择模块 10
4.3 数码管显示模块 10
4.4 时钟模块 11
4.5 波形产生模块 11
4.5.1 正弦波的产生 11
4.5.2 方波的产生 13
4.5.3 三角波的产生 14
4.5.4 锯齿波的产生 15
4.6 数模转换模块 15
4.6.1 AD7303简介 15
4.6.2 转换电路的设计 16
4.6.3 转换电路实物图 16
4.7 小结 17
第五章 系统的功能验证 18
5.1 系统的整合 18
5.2 系统的测试 18
5.2.1 开发板状态测试 18
5.2.2 三角波产生的测试 18
5.2.3 方波产生的测试 19
5.2.4 锯齿波产生的测试 20
5.2.5 正弦波产生的测试 21
5.3 系统功能验证结论 23
5.4 小结 23
结束语 24
致 谢 25
参考文献 26
附录A 完整程序 27
附录B 引脚约束文件 35
第一章 绪论
1.1引言
随着对数字信号的处理技术不断成熟以及高集成度集成电路技术的快速发展，FPGA是一系列可编程器件不断发展的产物。它是一种专用的集成电路，该技术已经得到广泛的应用，虽然传统型的模拟信号发生器也能产生相应的波形信号，但是想要得到频率精确，系统性能稳定的信号发生器，利用FPGA技术的信号发生器有绝对的优势，也逐步成为信号发生器的主流。
本文所设计的利用FPGA技术的波形信号发生器，是用数字频率直接合成技术，在FPGA厂商研发的集成设计平台Vivado软件，以及硬件开发板Basys3上实现的，通过在软件平台上编写Verilog程序，烧写到硬件开发板上，再通过数模转换电路，最终将波形信号在示波器屏幕上显示出来。FPGA技术经过多年的发展，已经越来越广泛的被应用，大多数的系统厂家在设计开发它们最终的产品时，或者在为大型的片上系统和专用集成电路做原始的设计时都会选择用FPGA来完成。使用FPGA来验证和调试产品的性能的速率已经可以与ASIC相当，在节约了大量时间的基础上也避免了一定的风险。
1.2信号发生器的发展以及国内外研究现状
随着现代工业的不断发展和技术水平的不断提高，传统型的波形信号发生器大多采用模拟电路、单片机等，但是由于其成本较高、不能做到灵活控制或着产生的种类少等缺点不能满足用户需求，传统使用的模拟信号发生器的可靠性以及频率稳定性较差，因此在一定程度上就催生了频率稳定性好、精确度更高的信号发生器来替代它，从而彻底的解决这个问题。为了在一定程度上避免传统型的波形信号发生器所使用的技术带来的许多限制以及满足大部分用户，并迎合市场的需求，许多数字式频率专用集成芯片仅能发生正弦波、方波等一系列常用信号的波形。如果能利用现场可编程门阵列的许多优势，如编程可重复性、丰富的资源以及高速率等，不仅能够产生单品连续波、非连续波以及各种类型的线性调频波，还能产生各种繁杂的模拟信号、非线性的调频信号，系统的灵活性以及现场可编辑等性能，这些都是数字式频率合成芯片所达不到的。
1.3课题的现实应用
波形信号发生器是经常使用的电信号源，无论是在、通信、测控还是实验等方面都有着非常广泛的应用，它是为电参量值的测量提供对应的、准确的电信号的仪器。信号发生器是被普遍应用的仪器之一，也是最普通、最基本的仪器之一，信号发生器几乎被用在所有电参量的测量上，它可以为待调试的系统提供精确的信号，想要得到频率精确的信号可以有多种方法，但是FPGA是一种能够由用户自定义相关配置的高密度专业集用电路，其集成程度更高且逻辑实现能力也更加强大，还能使得设计更简便且更易于实现，同时系统的稳定性也能得到提高。
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2信号发生器的发展以及国内外研究现状 1
1.3课题的现实应用 1
1.4课题研究的意义 2
1.5课题研究的主要内容 2
第二章 FPGA技术以及Verilog语言简介 3
2.1 FPGA简介 3
2.1.1 FPGA技术 3
2.1.2 FPGA发展趋势 3
2.1.3 FPGA特点 3
2.2 DDS基本原理 3
2.3 Basys3开发板概述 4
2.3.1 Basys3开发板简介 4
2.3.2 开发板硬件电路 4
2.3.3 开发板关键特性 5
2.4 开发平台概述 5
2.4.1 Vivado软件简介 5
2.4.2 开发流程 5
2.4.3 开发平台关键特性 6
2.5 Verilog语言简介 6
第三章 系统整体方案的设计 7
3.1 基于FPGA的信号发生器设计要求 7
3.2 课题的设计方案流程图 7
3.3 方案的设计的关键和难点 8
3.4 系统设计的注意事项 8
3.5 小结 8
第四章 系统各模块的实现 9
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4.2 拨码选择模块 10
4.3 数码管显示模块 10
4.4 时钟模块 11
4.5 波形产生模块 11
4.5.1 正弦波的产生 11
4.5.2 方波的产生 13
4.5.3 三角波的产生 14
4.5.4 锯齿波的产生 15
4.6 数模转换模块 15
4.6.1 AD7303简介 15
4.6.2 转换电路的设计 16
4.6.3 转换电路实物图 16
4.7 小结 17
第五章 系统的功能验证 18
5.1 系统的整合 18
5.2 系统的测试 18
5.2.1 开发板状态测试 18
5.2.2 三角波产生的测试 18
5.2.3 方波产生的测试 19
5.2.4 锯齿波产生的测试 20
5.2.5 正弦波产生的测试 21
5.3 系统功能验证结论 23
5.4 小结 23
结束语 24
致 谢 25
参考文献 26
附录A 完整程序 27
附录B 引脚约束文件 35
第一章 绪论
1.1引言
随着对数字信号的处理技术不断成熟以及高集成度集成电路技术的快速发展，FPGA是一系列可编程器件不断发展的产物。它是一种专用的集成电路，该技术已经得到广泛的应用，虽然传统型的模拟信号发生器也能产生相应的波形信号，但是想要得到频率精确，系统性能稳定的信号发生器，利用FPGA技术的信号发生器有绝对的优势，也逐步成为信号发生器的主流。
本文所设计的利用FPGA技术的波形信号发生器，是用数字频率直接合成技术，在FPGA厂商研发的集成设计平台Vivado软件，以及硬件开发板Basys3上实现的，通过在软件平台上编写Verilog程序，烧写到硬件开发板上，再通过数模转换电路，最终将波形信号在示波器屏幕上显示出来。FPGA技术经过多年的发展，已经越来越广泛的被应用，大多数的系统厂家在设计开发它们最终的产品时，或者在为大型的片上系统和专用集成电路做原始的设计时都会选择用FPGA来完成。使用FPGA来验证和调试产品的性能的速率已经可以与ASIC相当，在节约了大量时间的基础上也避免了一定的风险。
1.2信号发生器的发展以及国内外研究现状
随着现代工业的不断发展和技术水平的不断提高，传统型的波形信号发生器大多采用模拟电路、单片机等，但是由于其成本较高、不能做到灵活控制或着产生的种类少等缺点不能满足用户需求，传统使用的模拟信号发生器的可靠性以及频率稳定性较差，因此在一定程度上就催生了频率稳定性好、精确度更高的信号发生器来替代它，从而彻底的解决这个问题。为了在一定程度上避免传统型的波形信号发生器所使用的技术带来的许多限制以及满足大部分用户，并迎合市场的需求，许多数字式频率专用集成芯片仅能发生正弦波、方波等一系列常用信号的波形。如果能利用现场可编程门阵列的许多优势，如编程可重复性、丰富的资源以及高速率等，不仅能够产生单品连续波、非连续波以及各种类型的线性调频波，还能产生各种繁杂的模拟信号、非线性的调频信号，系统的灵活性以及现场可编辑等性能，这些都是数字式频率合成芯片所达不到的。
1.3课题的现实应用
波形信号发生器是经常使用的电信号源，无论是在、通信、测控还是实验等方面都有着非常广泛的应用，它是为电参量值的测量提供对应的、准确的电信号的仪器。信号发生器是被普遍应用的仪器之一，也是最普通、最基本的仪器之一，信号发生器几乎被用在所有电参量的测量上，它可以为待调试的系统提供精确的信号，想要得到频率精确的信号可以有多种方法，但是FPGA是一种能够由用户自定义相关配置的高密度专业集用电路，其集成程度更高且逻辑实现能力也更加强大，还能使得设计更简便且更易于实现，同时系统的稳定性也能得到提高。
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