基于FPGA的任意波形发生器设计

【摘 要】本文设计了一种基于FPGA和DDS技术的任意波形发生器。本设计利用VHDL语言完成系统各大模块的硬件描述设计，对硬件结构和工作方式进行重构。在QuartusII 9.0环境中完成系统仿真并进行了硬件测试，结果表明设计达到预定效果，能够按照要求输出相应波形，也证明了基于FPGA设计的可靠性和可行性。

【关键词】FPGA DDS QuartusII 任意波形发生器

波形发生器是各种测试和实验中不可或缺的工具，在雷达、控制、通信、测试、控制等领域应用十分广泛。波形发生器是电子工程师进行信号仿真试验的最佳工具。目前，随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，FPGA系统设计的主要发展已经进入“片上可编程系统”的新纪元。随着FPGA不断发展，DDS技术应用越来越成熟，利用DDS原理在FPGA平台上开发高性能的多种波形信号发生器，其成本低，操作灵活，而且还能根据要求在线更新配置，系统开发趋于软件化、自定义化。

传统型任意波形发生器的结构简单、控制方便，但此类波形发生器没有相位调制功能，而且在后期软件编程期间，在不改变时钟频率及波形的情况下，如果要改变一个周期的采样点数，需要重置计数器并且重新向波形存储器中载入数据。就目前发展状况而言，基于DDS技术的任意波形发生器虽然结构比较复杂，还会产生相位截断误差，但实现频率、相位调制功能却很容易，同时产生的波形能够达到很高的频率分辨率，输出频率的转换速度快，而且频率转换时，DDS系统输出波形的相位是连续的。

一、DDS电路工作原理

DDS电路的实现是整个硬件系统设计的关键所在。DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS电路工作时首先需要对波形数据进行采样，将采样数值存入波形存储器ROM中作为查找表，然后在时钟脉冲的作用下，对频率控制字进行线性相位叠加，然后将相位累加值的一部分作为ROM查找表的地址码将数据读出来，再经过D/A转换器，低通滤波器转换成符合要求的模拟信号。DDS的基本结构主要由相位累加器、相位调制器、ROM查找表、DAC和低通滤波器构成。

二、系统设计

本设计方法主要采用自行设计的基于FPGA逻辑电路来实现任意波形发生器，利用FPGA设计的DDS电路只要改变FPGA内部波形存储器中存储的波形数据，就可以实现输出任意波形，因而更加具有灵活性，使得采用FPGA来实现DDS电路具有更高的实用价值，通过FPGA编程定制系统所需的DDS电路，不但成本降低，而且使任意波形发生器的性能得到提高。这就是本设计采用FPGA来实现的重要原因。

本系统总体设计选用以Altera公司的Cyclone II系列中的EP2C5T144C8芯片为主，配以时钟电路、信号产生电路、滤波控制电路、波形存储电路、按键电路、D/A转换电路等电路实现波形发生器的硬件设计。

本设计主要是基于Quartus II平台，利用DDS技术，设计一个任意波形发生器，首先通过按键电路选择输出波形的对象，根据对各波形的幅度进行采样，获得各波形的波形数据表作为波形存储器的查找表，然后在系统时钟的作用下，相位累加器对输入的频率数据不停地进行相位线性累加，并将累加器输出的一部分作为波形存储器的地址信号，通过查找表读出相应的波形数据，再送入高速D/A转换器进行转换成为模拟信号，最后送入滤波电路，滤波后输出光滑的连续信号。本设计部分核心在于利用宏功能模块生成波形存储器ROM查找表模块，使得所需要的波形数据通过.mif文件载入到定制模块data_rom模块中，当在波形存储器ROM中固化所需波形的一个周期的幅度值后，由地址发生器产生的地址对波形存储器ROM寻址，依次可取出送至D/A转换及滤波，即可实现DDS中波形存储器的功能。在ROM查找表模块data_rom中采用了定制初始化数据文件，ROM模块中的初始化数据文件的格式采用.mif格式。

三、仿真结果

本设计的仿真和硬件验证主要围绕以FPGA为核心的DDS信号输出和控制模块进行。本设计采用MATLAB软件进行仿真测试，Quartus II可将设计者提供的时序波形文件（.vwf）保存为仿真基准文件（.tbl）格式的波形文件，以此波形文件进行仿真。由图1可知，在时钟频率不变的情况下，为了观察频率控制字对输出频率的影响，改变方波的频率控制字，使其由02H改变为82H，可明显观察到，频率控制字越小，输出信号的周期越大，即输出频率越小。这说明了采用DDS技术可以输出任意频率的波形信号。改变波形存储模块data_rom中的数据文件，通过载入正弦波、三角波、锯齿波、梯形波和用户自定义的波形采样数据，利用MATLAB进行显示波形。通过仿真结果可得，基于FPGA的波形发生器已经实现了输出任意波形的功能。

四、结语

本次设计在Quartus II平台上设计DDS电路，用MATLAB对Quartus II仿真得出的数据进行显示，验证了设计的正确性，输出波形可以达到设计要求，MATLAB显示的波形与理想波形是相吻合的，仅在波形的稳定及光滑程度方面有着一定的差距，但这种差距并不影响设计结果、波形观察及任意波形发生器的使用。采用FPGA设计实现还具有相位连续变化、频率分辨率高等优点。所以，FPGA与DDS的有机结合使得波形发生器更具有实用性。

参考文献：

[1]王h.基于FPGA实现的任意波形发生器的设计与研究[J].大众科技，2012，14.

[2]曾菊荣.基于FPGA和DDS技术的任意波形发生器的设计[J].现代电子技术，2010，（24）.

[3]铁奎，黄武.任意波形发生器的设计与研究[J].应用天地，2012，31.

[4]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].4版.北京：科学出版社，2010.

作者简介：

雷旭（1991.02-），河南省潢川县，硕士研究生，专业：信息与通信工程。

刘倩倩 （1992.11-），河南省郸城县，硕士研究生，专业：通信与信息系统。