摘 要

该文章以FPGA开发板DE2i-150为开发平台，以Altera的Cyclone IV芯片作为核心芯片，以VHDL作为开发语言，以Quartus II 13.0作为开发软件。通过对采用DDS技术的特种波形发生器的研究，从而实现一种可调的特种波形发生器。可以满足日常工作实验中对常规波形信号激励源的需求，同时可以满足部分特种波形的需求。而且可以在实现波形的基础上，对波形进行幅度和频率的调整。

本文章先对特种波形发生器的整体进行分析，然后对DDS和FPGA进行了理论分析。随后进行单片机控制部分、相位累加器部分、波形存储器部分、DAC部分、滤波器部分分别进行分析讨论。随后在Quartus II实现各部分的功能仿真及整体功能的仿真。然后进行开发平台DE2i-150及外部电路DAC电路、滤波器电路的硬件调试。本论文设计的滤波器结构简单明了，便于实现，且可以满足所要求的输出常规波形和特种的叠加波形，能满足客户的基本需求。

研究结果表明：实现了一种采用DDS技术的特种波形发生器，可以输出三角波、方波、正弦波和锯齿波，还能实现任意两种波形的叠加波形，并且具备调幅和调频功能。

关键词：特种波形发生器；FPGA；DDS；Quartus II

Abstract

This article takes FPGA development board DE2i-150 as the development platform, uses Altera's Cyclone IV chip as the core chip, VHDL as the development language, and Quartus ii 13.0 as the development tool. Through the DDS technology of special waveform generator research, to achieve an adjustable special waveform generator. Can meet the needs of the experiment on conventional waveforms, and can meet the needs of some special waveforms. And can adjust the amplitude and frequency of the waveform

This article first analyzes the special waveform generator, and then theoretical analysis the DDS and FPGA. Then analysis and discussion the MCU control part, phase accumulator, waveform memory, DAC, filter. And then simulation and debugging.

The results show that the realization of a special waveform generator based on DDS technology can output four basic waveforms of sine wave, square wave, triangular wave and sawtooth wave, and realize the superposition waveform of any two kinds of waveforms, and have the amplitude modulation and frequency modulation Features.

Key Words：Special Waveform Generator；FPGA；DDS；Quartus II

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 特种波形发生器的研究内容 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 特种波形发生器的预期目标 2

第2章 需求分析及整体方案设计 3

2.1 系统的需求分析 3

2.2 整体方案设计 3

2.3 DDS原理 4

2.3.1 频率合成基本原理 4

2.3.2 DDS的结构分析 6

2.3.3 DDS的基本原理 7

2.3.4 DDS输出信号的特性 12

2.4 FPGA和Quartus II 14

第3章 各功能模块设计与实现 16

3.1 单片机控制部分设计 16

3.2 相位累加器模块 21

3.3 波形存储部分设计 22

3.4 调幅和调频模块设计 25

3.5 DAC模块设计 26

3.6 低通滤波器模块设计 27

第4章 DDS部分的仿真和硬件调试 29

4.1 DDS部分整体电路仿真 29

4.2 硬件调试 31

第5章 结论与展望 36

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1 引言

随着电子产品的发展，波形信号发生器成为了很普遍的电子产品的激励源发生设备。人们对特种波形发生器的功能需求，也随着电子产品对激励信号的要求越来越多种多样的情况下变得越来越高。

相比较于现在的波形信号发生器，过去的波形发生器生成激励信号的精度较差，体积庞大、制作成本昂贵并且稳定性低。为了解决传统的信号发生器的缺点，人们开始使用数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS)来设计波形信号发生器。目前国内市场上的DDS波形发生器基本只能实现输出基本的周期波形信号，而且产品使用集成DDS芯片导致产品运行不稳定、处理的速度缓慢等一些缺点。FPGA解决了这些DDS芯片性能的不足。FPGA技术具有速度快、可靠高而且可现场编程的诸多优点，用来开发特种信号发生器有相当明显的优势和发展空间。所以本文在基于FPGA的基础上利用DDS技术实现特种波形发生器，来满足市场上对特种波形信号源的要求^[1]。

1.2 特种波形发生器的研究内容

本文设计的特种波形发生器具有产生信号源的能力，并且可以根据用户需求对产生的波形信号做出调成，主要的功能包括：

1. 生成基本函数信号

在日常的工作和实验中，经常要用到不同的常规理想信号作为输入信号。本文设计的特种波形发生器具备产生锯齿波、正弦波、方波、三角波这四种基本的波形信号。用来满足普通的激励信号源的需求。

1. 生成特种波形信号

本文设计的特种波形发生器在生成普通波形的基础上，还可以通过用户的设定，实现正弦波、方波、三角波和锯齿波中任意两种波形信号的叠加波形。来生成所需要的特殊波形。

1. 调幅和调频功能

在日常的实验或者工作中经常对生成的信号源有频率和幅度的要求，本文中讨论的特种波形发生器可以对波形的频率和幅度进行调整来满足要求。

1.3 国内外研究现状

相比较于国内的特种波形发生器发展状况。国外的特种波形发生器在产品的工艺和技术诸多方面都遥遥领先于国内。随着的我国加大对特种波形发生器的研究力度，国内特种波形发生器的技术水平开始逐步上升，但仍然落后于国外，而且高端的波形发生器的售价都很高，在十多万元以上，同时低端的波形发生器也需要数千元。综上所述，继续深入开发特种波形发生器，研发性能更加强大，功能更加全面的特种波形发生器对我国电子设备的发展具有很大的意义，同时也会提高我国的国际影响力。特种波形发生的研究意义深重^[2]。

1.4 特种波形发生器的预期目标

本论文预期采用DDS技术来实现特种波形发生器，期望实现一种结构较为简单明确，实现起来较为容易且可以满足波形发生要求的特种波形发生器。

预期功能：根据选择输出三角波、正弦波、锯齿波、方波四种常规波形和任意两种常规波形叠加获得的特殊波形，并且可以进行输出波形信号的频率调节和幅度调节。