摘 要

信号发生器又称为波形发生器，是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、通信、控制和教学实验等领域。它是科研及工程实践中最重要的仪器之一，以往多用硬件组成，系统结构比较复杂，可维护性和可操作性不佳。随者计算机技术的发展，信号发生器的设计制作越来越多的使用计算机技术，种类繁多，价格、性能差异很大。用FPGA或CPLD来实现，它的优点是可以进行功能仿真，而且FPGA和CPLD的片内资源丰富,设计的流程简单。

本课题主要研究基于FPGA的高精度震荡信号源的设计和实现，设计研究工作大部分是在计算机软件平台Quartus II下完成的。在Quartus II环境下，先用Verilog语言进行各模块的程序编写，然后生成顶层模块，连接各模块端口，形成信号发生器顶层原理图，通过Quartus II仿真，得到具体数据。最后通过FPGA开发板连接示波器,调试出波形进行总结和分析。

关键词：FPGA；Verilog编程语言；信号发生器；Quartus II

Abstract

Signal generator, also known as a waveform generator, is a common source, widely used in electronic circuits, communication,control,and teaching experiments.It is one often most important instrument in the research and engineering practice, past use of hardware components, system architecture is more complex, poor maintainability and operability. With the development of computer technology, more and more, signa1 generator design is the use of computer technology, a wide range of price, performance, very different. FPGA or CPLD, its advantage is that the functional simulation, and FPGA and CPLD chip is rich in resources, the design process is simple.

The main subject of study design and implementation of FPGA-based signal generator,designed most of the work completed in the computer software platform, the Quartus II, The programming of the module in the Quartus II environment, use the verilog language and then generate a top-level module, connect the ports of each module, the formation of the top-level schematic diagram of the signal generator by the Quartus II simulation specific data. Finally, the FPGA development board connected to the oscilloscope, debugging, waveform were summarized and analyzed.

Key words:FPGA;Verilog programming language;signal generator;Quartus II

目录

摘要 Ⅰ

第一章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 信号发生器的发展状况 2

1.3 主要研究的基本内容及目标 3

1.4 小结 3

第二章 FPGA简介 4

2.1 FPGA概述 4

2.2 FPGA基本结构 4

2.3 FPGA系统设计流程 6

2.4 FPGA开发编程原理 8

2.4 小结 9

第三章 信号源总体设计方案 10

3.1 信号源的构成 10

3.2 信号源的工作原理 10

3.3 小结 11

第四章 单元模块设计与实现 12

4.1 锁相环模块的设计与实现 12

4.1.1 锁相环的数学模型 12

4.1.2 Quartus II中的的锁相环 13

4.2 分频器模块的设计与实现 16

4.2.1 分频器的工作原理 16

4.2.2 Quartus II中的分频器 17

4.3 倍频器模块的设计与实现 19

4.3.1 倍频器的工作原理 19

4.4 整体功能的设计与实现 20

4.4.1 无倍频模块 20

4.4.2 有倍频模块 22

4.5 小结 23

第五章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1 研究的目的及意义

信号源作为一种电子测量和计量设备，通常可产生大量的标准信号和用户定义信号。由于它具有高精度、高稳定性、可重复性和易操作性等特点，而被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。它不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统。在各种实验应用和实验测试处理中，既可根据使用者的要求，作为激励源来仿真各种测试信号，并提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要，也可作为一种测量仪器来完成一定的测试功能。然而，由于应用背景的不同和对测试、测量技术要求的提高，对信号源的频率精度、幅值精度、信号形式等要求也越来越高，因此开发高精度信号源具有重大的意义。

随着计算机、通信、数字电视、卫星定位、雷达、导航、航空航天和遥控遥测技术的不断发展，对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率个数的要求越来越高[^1]。为了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大量采用频率合成技术。通过对频率进行加、减、乘、除运算，可从一高稳定度和高准确度的标准频率源，产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。因此，频率合成器是从一个或多个参考频率中产生多种频率的器件，它是现代电子系统必不可少的关键电路。在微处理器、视频图像处理等大规模数字系统中，此频率的信号可用作的系统时钟和同步时钟，在通信系统的基带取样电路中，需要频率合成器提供精确的时钟，在通信系统的模拟前端电路中，频率合成器产生的信号可作为各种收发射机本地振荡信号，还可以完成调制、调解、载波和时钟恢复等功能。正是由于频率合成器的广泛应用于当代发展最快的高尖端信息产业，因此，频率合成器也得到了发展较快，形成了完善的系列品种，市场需求也特别大。

频率合成器的技术复杂度很高，经历了直接合成模拟式频率合成器、锁相环频频率合成器、直接数字频率合成器三个发展阶段。目前，频率合成器普遍采用锁相环频率合成器，通过编程数字控制，可获得不同的频点。锁相环频率合成器包含滤波器、可控分频器、鉴相器、压控振荡器及前置分频器等功能单元。频率合成器的最终发展方向是锁相式频率合成器、双环或多环锁相式频率合成器、DDS 频率合成器，以及PLL 加DDS混合式频率合成器。因此，锁相式频率合成器和直接数字式频率合成器受到各界关注，并得到迅猛发展。[²]

1.2 信号发生器的发展状况

信号发生器从上世纪20年代诞生发展到如今，从技术上看，先后经历了模拟式信号发生器—数字式信号发生器—虚拟信号发生器三个发展阶段。