摘 要

信号发生器在通信设备测试以及工业测试领域有着广泛的应用。信号发生器的设计与制造大多采用DDS专用芯片，再加上诸如单片机等微处理器方案来实现信号输出。然而，模拟硬件对诸如温度和湿度之类的环境影响敏感，因此输出信号具有较差的稳定性、较小的频率范围和较差的可扩展性，还有灵活性和可升级性相对较差。随着技术的发展，测试过程中应用的信号形式越来越复杂，信号带宽也越来越宽，对信号质量的要求也在不断提高。

本次设计利用直接数字频率合成技术，设计了一种以现场可编程门阵列的芯片为载体的信号发生器。为了提高灵活性，上位机使用LABVIEW设计。通过上位机的控制，信号发生器能够产生频率和幅度可调的正弦、方波、锯齿波等波形。该系统电路具有低成本、简单可靠的优点。功能仿真结果和示波器测试结果表明，该信号发生器具有很强的灵活性和稳定性，符合设计要求。

关键词：DDS；FPGA；信号发生器；LABVIEW

Abstract

Signal generators are widely used in communication equipment testing and industrial testing. The design and manufacture of the signal generator mostly adopt the special chip of DDS, and realize the signal output with the microprocessor scheme such as single-chip microcomputer. However, the analog hardware is sensitive to environmental influences such as temperature and humidity, so the output signal has poor stability, small frequency range and poor scalability, as well as relatively poor flexibility and upgradability.

With the development of technology, the signal forms used in the testing process are becoming more and more complex, the signal bandwidth is becoming wider and wider, and the requirements for signal quality are constantly improving.This design USES the direct digital frequency synthesis technology, designs a kind of field programmable gate array chip as the carrier signal generator. In order to improve flexibility, the upper computer uses LABVIEW design. Through the control of the upper computer, the signal generator can produce sine wave, square wave, sawtooth wave and other waveforms with adjustable frequency and amplitude. The system circuit has the advantages of low cost, simple and reliable. The results of functional simulation and oscilloscope test show that the signal generator has strong flexibility and stability, and meets the design requirements

Key words: DDS; FPGA; Signal Generator; LABVIEW

目录

第一章 绪论 1

1.1课题的来源、背景及意义 1

1.2 DDS技术的发展现状 2

1.3本文的主要内容 2

第二章 DDS技术及其原理 4

2.1 DDS技术的基本组成 4

2.2 DDS工作过程 4

2.2.1 DDS基本原理 4

2.2.2 DDS的数学推导 5

2.3 DDS的特点 6

第三章 现场可编程门阵列 8

3.1 FPGA硬件环境 8

3.1.1 FPGA的发展过程 8

3.1.2 FPGA 9

3.2 FPGA软件环境 10

3.2.1 Verilog HDL语言 10

3.2.2 Verilog HDL语言组成 11

第四章 基于FPGA的信号发生器 13

4.1 FPGA总体模块设计 13

4.2 串口通信模块 14

4.2.1 数据帧格式 14

4.2.2 波特率 15

4.2.3 通信模块设计 15

4.3 命令解析模块 16

4.4 波形生成模块 16

4.5 方波生成模块 17

第五章 DA转换电路及上位机设计 19

5.1 DA转换电路 19

5.2 滤波电路 20

5.3 上位机设计 21

5.3.1 VISA 21

5.3.2 LABVIEW总体设计图 24

第六章 仿真与调试 25

6.1 FPGA仿真分析 25

6.2 Signal tap仿真分析 25

第七章 总结与展望 27

7.1总结 27

7.2展望 27

参考文献 29

致谢 31

附录1 程序代码 32

第一章 绪论

1.1课题的来源、背景及意义

大多数无线电设备的组成部分是频率和信号合成系统。大多数已知的电路使用模拟元件，其特征在于在外部因素的影响下参数的变化。但是，随着仅使用数学计算和可抵抗外部因素变化的逻辑函数的数字技术的发展，开发了一种产生信号的新方法，称为直接数字合成。频率合成器的主要类型之一是直接数字合成器（DDS）。它具有极高的频率和相位分辨率，快速的过渡到另一个频率而不会出现相位不连续，通过数字接口控制频率，相位和幅度的能力正在不断扩大DDS在卫星通信，雷达等技术领域的实施领域定位，无线电导航，测量设备等。直接数字合成是一种使用数字资源生成所需频率和波形的信号的方法。由于采用了数字解决方案，因此产生的信号具有数字系统固有的精度。任何给定时间的信号频率，幅度和相位都是已知的并受到控制。凭借这些优势，直接数字合成正逐渐取代模拟解决方案。

在信息化时代过去之后，半导体时代开始到来，半导体工艺技术经过了革新，工艺级别可达到nm级，跟着半导体工艺一起进步的有现场可编程逻辑阵列（FPGA），所用的成本在降低，其性能在不断优化。FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块RAM，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元^[2]。由于FPGA具有运行速度快，编程可重复性高和非常好的集成度，资源很多，但研发资金过多，在现在的数字电路设计领域使用度很高。