1、毕业设计文献综述 电子信息工程 任意波发生器的 VHDL 设计 前言 信号源作为一种基本电子设备 ， 在教学、科研 和 在工程技术保障中 有着 广泛的使用。从理论到工程对信号的发生进行深入研究 ,不论是从教学科研角度 ,还是从工程技术保障服务角度出发都有着积极的意义。 信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器。早在二十年代，当电子设备刚开始出现时，它就出现了。随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉 冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，
2、功率比较大，电路比较简单 (与数字仪器、示波器等相比 )，因此发展速度较慢。直到 1964 年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。 自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。 信号发生器的应用非常广泛，种类繁多 ，其中 按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函 数发生器和任意波发生器等。 主题 任意波形发生器 (简称 AWG)是随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来
3、的一类新型信号源。 1它广泛应用于电子测量 、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等方面 ，是工程师进行产品研发和生产的必备仪器之一。 它的主要功能是为待测设备提供稳定、可靠并可以人工调节和控制的信号源 ,如正弦波、方波 、三角波、锯齿波、白噪声和扫频信号以及用户定义的任意波形。 2 任意波发生器是以 D/A 变换器为核心的，由时钟电路、存储器电路、 控制逻辑（计数器电路、地址译码电路）、计算机、滤波放大器等环节组成的，能将具有幅度量化特征和时间抽样特点的离散数据组按顺序发出，生成模拟信号波形的一种数字化模拟信号发生装置，其技术内涵和实质是使用离散的数字化方式产生连
4、续的模拟信号波形；用有限个量值状态及其阶跃过渡过程描述具有无限个量值状态的信号波形。 3任意波发生器可以产生任意波形，就是因为这个特点，使它成为一种极为重要的通用基础仪器设备。从功能上看，它几乎可以代替目前已有的通用和专用信号源，并且能提供其它种类信号源几乎无法实现的信号和功能。随着科学技术 的发展和进步，或许将来某一天，任意波发生器将取代目前几乎所有的以电路理论为基础的信号源。 4现今对于任意波发生器有着各种的研究，使其功能更加的完善。以下就介绍几种有关这方面合成技术的研究。 直接数字频率合成 (Direct Digital Frequency Synthsis,简称 DDS)是一种新的频率
5、合成方法 ,它的发明和使用是信号频率合成领域里的一次革命。随着数字集成电路和微电子技术的发展 ,直接数字频率合成技术日益显露出它的优越性。基于 DDS 技术的任意波形发生器具有输出频率稳定、准确 ,波形质量好和输出频率 范围宽等一系列独特的优点 ,是任意波形发生器研究的一个重要方向。 5 目前波形合成技术主要有两种通用的方法，一种是使用专用的 DDS 芯片，一种是基于CPLD/FPGA 的解决方案。虽然专用 DDS 芯片的功能也比较多，但控制方式却是固定的，控制不灵活。而基于 CPLD/FPGA 的则能够运用各种不同的技术，对任意波发生器进行研究。 基于单片机控制 ,采用 DDS 技术 ,利用
6、 FPGA 芯片来实现以 DDS 模块为核心的任意波形产生系统。该波形产生系统所产生的波形种类齐全、 频率分辨率高、 带宽宽 ,同时实现了信号的调相 功能。并且利用 FPGA 则可以根据需要利用 Verilog 语言方实现各种比较复 杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性。 67 采用直接数字频率合成 (DDS)技术 ,用 VHDL 语言编程实现 ， 集成于可编程逻辑器件 (FPGA)中。 这种 任意波形发生器可以通过改变相位步进或分频倍数调节频率 ， 通过改变相位控制字调节初始相位 ， 通过改变 D/A 电阻网络的基准电压调节幅度。可以看出 ,采用该方法设计的任意波形发生器输出的波形与传
7、统的波形发生器相比 ， 具有波形平滑 、 无毛刺 、 波形稳定度高 、 频率稳定度和分辨率高等众多优点。 8 基 于 VXI总线的四通道智能化任意波发生器其模块采用 DSP+FPGA实现智能控制 ,应用先进的 DDS(直接数字频率合成器 )技术产生任意波 ,输出波形可加载波进行调制 ;本模块具有四个独立的通道 ,相互之间进行电气隔离 ,可输出幅度连续可调的电压和电流信号。 9 基于 FPGA 和双端口 RAM 的 DDS 任意波形发生器具有很高的频率分辨率 ,如可达到Hz 至 0.001Hz 以下；能产生较宽频率范围的信号，如可从 0.001MHz 至 100MHz 以上；输出频率转换速度快，
8、与锁相系统不同， DDS 是一个开环系统，当一个新的频 率数据送入它时，就会迅速合成并输出该频率，频率转换时间可达 s 级甚至 ns 级；便于实现程控，精度高，使用方便。由于采用了 DDS 电路，还可以很方便地实现诸如 FSK 、 ASK 等调制波的输出。10 基于双 DDS 的高速任意波发生器实现技术，是在利用 FPGA 实现 DDS 的基础上，使用两路 DDS 分别产生主波形和调制波形，方便地实现两个任意波信号的幅度调制；同时，通过调制波形数据实时控制主 DDS 的频率控制字 , 用数字的方法直接实现波形的各种频率调制。这种方法极大地缩小了硬件体积 , 实现更加灵活。 11 以上都是对于任
9、意波发生器的内部技术合成进行简要的举例说明，下面就任意波发生器的输入设备再简要的介绍下。 波形数据是任意波发生器显示各种波形的前提，波形文件数据必须从外部存储设备输入到任意波发生器存储器里。目前国内主流的任意波发生器大都采用键盘和用上位机控制。键盘输入比较慢，而上位机则有需要串口进行数据传输、过程繁琐等缺点。随着 USB 技术的普及和 USB 存储设备成本的降低，数据不易丢失、容量大、读写速度快的 U 盘必将逐渐取代传统的方法。在任意波发生器中引入 USB 主控制器来操纵 USB 大容量存储类设备，既可以快 捷地利用 U 盘中的波形数据，又可以将任意波发生器所显示的波形相关信息存入 U 盘中。
10、 12 总结 通过上述文献综述的撰写，对信号发生器的发展历史，任意波发生器的组成、功能、应用及输入设备、存储设备的发展趋势等有了初步的了解。同时对于任意波发生器中的各种波形合成技术的主要原理和特点也大致的有了一些了解，为后面的设计打下基础。本次的设计以 现场可编程门阵列 FPGA 为主要硬件，以 EDA 软件 MAXPLUS2 为主要工具，设计一个任意波发生器，通过修改程序能够产生方波、正弦波、三角波、锯齿波等不同信号波形。 参考文献： 1 王文华 .基于 DDS 技术的任意波形发生器研究 D.浙江大学 ,2002 年 . 2 石玮 . 基于 FPGA和双端口 RAM的 DDS任意波形发生器的
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