基于DDS技术的任意波形发生器.doc

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1、1概述1.1选题意义任意波形发生器是信号源的一种，它具有信号源所有的特点。我们传统都认为信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数而是根据使用者的要求仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。信号源有很多种，包括正弦波信号源，函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。一般来讲任意波形发生器，是一种特殊的信号源，综合具有其它信号源波形生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。1).函数功能，仿真基础实验室设计人员的环境函数信号源是使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、锯

2、齿波、方波、脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫描能力，众所周知，在我们的基础实验中(如大学电子实验室、科研机构研究实验室、工厂开发实验室等)，我们设计了一种电路，需要验证其可靠性与稳定性，就需要给它施加理想中的波形以辨别真伪。总之利用任意波形发生器这方面的基础功能，能仿真基础实验室所必须的信号。2).任意波形，仿真模拟更复杂的信号要求众所周知，在我们实际的电子环境所设计的电路在运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等(见图1-1，图1-2)，这些情况的发生，如在设计之初没有考虑进去，有的将会产生灾难性后果。例如图1中

3、的a处过尖峰脉冲，如果给一个抗冲能力差的电路，将可能会导致整个设备“烧坏”。确认电路对这样一个状况敏感的程度，我们可以避免不必要的损失，该方面的要求在航天、军事、铁路和一些情况比较复杂的重要领域尤其重要。由于任意波形发生器特殊的功能，为了增强任意波形生成能力，它可以依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，可以通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，更进一步仿真模拟实验。同时由于编辑一个任意波形有时需要花费大量的时间和精力，并且每次编辑波形可能有所差异这样有的任意波形发生器，置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对比;或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一

4、步分析与处理。图1-1有尖脉冲的数字信号图1-2有频率突变的方波综上所述，任意波形发生器是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。传统的任意波形发生采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。本设计采用单片机和FPGA器件相结合的方法，充分利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力和FPGA器件的快速性、外设的替代性，采用DDS技术，实现频率、幅值可调的任意波形的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。1.2仪器功能本设计完成的任意波形发生器具有以下几个功能：l实现方波、矩形波、梯形波、锯齿波、三角波、正弦波、指数波等任意波形的输出。l输出波形频率、幅值、相

5、位连续可调，输出波形频率最低可以达到0.0lHz，最大频率l受器件性能限制。最小分辨率可以达到0.002Hz。1.3设计原理本设计采用DDS技术，该技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。基于DDS的AWG是通过改变相位增量值(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。所有相位点的数据都放在查找表中。采用插值描点的方式，将要产生的波形用若干个点代替，然后依次输出，每个点的电平由查找表中的相位点数据经过D/A得到。这个过程相当于采样保持及A/D转换的逆过程，将经过D/A转换器产生的波形经过低通滤波，就得到了所得波形。控制D/A转换器的参考电压

6、，就可以实现幅值可调;控制两个插值点之间的相位，就实现了频率可调。本设计的控制器利用单片机完成，DDS合成芯片利用FPGA实现。单片机通过键盘进行人机交互，获得欲输出信号的波形，幅值，频率。FPGA芯片控制基准电源产生合适电压，作为D/A转换器的参考电压，然后从查找表中获得数据，送到D/A转换器，送出一个点的数值。依次处理完查找表一个周期数据后，再重新开始，输出下一个周期的波形。经过D/A转换的信号再经过低通滤波，滤掉插值频率和高次干扰波，就可以得到需要的任意波形。根据设计要求、实际需要及实验室条件，相应地选择了以下器件及设计工具。在进行系统硬件电路设计时，选用Intel公司的80C196

7、KC单片机作为控制主芯片、Altera公司的EPF10K10作为DDS合成FPGA芯片，选择Protel99sE设计系统电路的原理图及PCB图、Pspice软件进行硬件仿真。在进行了FPGA芯片设计时，选用了Altera公司的MAX+PlusII10.0工具作为芯片设计平台，选择Verilog-HDL硬件描述语言进行设计。在进行系统软件设计时，选用WAVE公司的E6000仿真器配POD-80C196KX仿真器进行硬件仿真