1、本 科 毕 业 设 计任意波发生器的 VHDL 设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要随着现代电子技术的不断发展，人们对测试仪器技术指标的要求不断提高，传统的信号发生器已不能满足今后测试的要求，这就需要更高精度的信号发生器。本文阐述了一个采用直接数字频率合成（DDS）技术，现场可编程门阵列（FPGA）为主要硬件，以 EDA 软件 MAXPLUS2 为主要工具来实现的信号发生器的设计原理和实现方法的任意波发生器，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。相对于传统的信号发生器来说，它具有更好的灵活度和更好的性能，能够
2、更好地解决人们测量的需求。该信号发生器的四个基本波形的频率均要求达到 1Hz1MHz。同时本课题还对需要用到的 EDA 及其 FPGA 逻辑器件、MAXPLUS2 软件和 DDS 原理进行了介绍，对于设计方案也进行了讨论说明，以及对设计的仿真。当然，在这过程中还是有遇到很多问题的，在文章结尾也做了简要的阐述。关键词：任意波形发生器；直接数字频率合成技术；现场可编程门阵列；IIAbstractWith the continuous development of modern electronic technology, people to test instrument technology i
3、ndex of the constantly increasing demand, the traditional signal generator already cannot satisfy the test in the future, this needs the signal generator higher precisionThis article describes a use direct digital frequency synthesis (DDS) technology, the complex programmable logic device FPGA as th
4、e main hardware, with EDA software MAXPLUS2 as the main tool to achieve the signal generator design principle and realization method, through the arbitrary wave generator can generate the modified program square, sine wave, triangle wave, sawtooth wave and so on the different signal waveform. Compar
5、ed with the traditional signal generator speaking, it has better flexibility and better performance, better able to solve people measurement requirements. This signal generator frequency of the four basic waveform1MHz -1Hz all can reach. Meanwhile, the subject of the need to use still interface and
6、FPGA logic devices, EDA and DDS principle MAXPLUS2 software and are introduced, for design are also discussed, and the design that the simulation. Of course, in this process to meet many problems or is there, in the end the paper also gives a brief.Keywords: arbitrary waveform generator; DDS; FPGA.I
7、II目 录第一章 概述 .11.1 国内外发展现状 .11.2 任意波形发生器的功能 .2第二章 电子设计自动化（EDA）简介 .32.1 EDA 概述 .32.2 EDA 的工具软件及编程语言 .32.3 EDA 中的可编程逻辑器件 .32.4 EDA 的应用 .42.5 EDA 技术的发展趋势 .4第三章 MAXPLUS2 软件简介 .63.1 概 述 .63.2 Max+plus功能简介 .63.3 Max+plus设计过程 .83.4 硬件描述语言 VHDL.11第四章 直接数字式频率合成器（DDS）简介 .134.1 DDS 电路工作原理 .134.2 DDS 优点 .144.3 实
8、例 .14第五章 实验设计 .165.1 设计方案比较 .165.2 设计方案 .165.3 现场可编程逻辑器件（FPGA）芯片的介绍 .175.3.1 FPGA 工作原理 .175.3.2 FPGA 芯片结构 .175.3.3 FPGA 的基本特点 .195.4 MAXPLUS2 环境下设计流程及总体电路 .195.4.1 设计流程 .195.4.2 总体电路 .205.5 波形数据生成 .20IV5.5.1 正弦波 .205.5.2 方波 .205.5.3 三角波 .215.5.4 锯齿波 .215.6 MAXPLUS2 中宏模块的设计 .215.6.1 ROM 的基本逻辑参数 .215.
9、6.2 ROM 波形存储器的设计 .22第六章 仿真实验 .236.1 正弦波 .236.2 三角波 .246.3 方波 .256.4 锯齿波 .266.5 结果分析 .27第七章 结论 .28致谢 .29参考文献 .301第一章 概述1.1 国内外发展现状波形发生器广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表等仪器一样是最普通、最基本也是应用最为广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。随着通信、雷达的不断发展，对信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数以及信号波形的形状也提出越来越多的要求
10、。不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。任意波形发生器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的一类新型信号源。它既可输出标准函数信号，也可以产生由用户定义的非标准函数波形信号，并且有丰富的模拟调制和数字调制功能，能为不同的应用领域提供各种标准或非标准信号，尤其在水下声纳、通信、雷达导航等装备的研制、生产、维修中是必不可少的。采用可变时钟和计数器寻址的任意波形发生器在一段时期内曾有广泛的应用，其采样时钟频率较高且可
11、调，但其对硬件要求比较高，因次需要高性能的锁相环及截止频率可调的低通滤波器（或者多个低通滤波器） ，且频率分辨率低，切换速度较慢，所以已经逐步退出市场。目前市场上的任意波形发生器主要采用直接数字合成（Direct Digital Synthesuzer，DDS）技术，这种任意波发生器不仅可以产生可变频的载频信号、各种调制信号，同时还能和计算机配合产生用户自定义的有限带宽的任意信号，可以为多种领域的测试提供宽带宽、高分辨率的测试信号。基于 DDS 技术的任意波形发生器具有输出频率稳定,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。任意波形发生器发展到今天，从产
12、品结构形式来划分，主要包含三种：（1）独立仪器结构形式（2）PC（Personal Computer）总线式（3）VXI 模块式从目前的发展状况来看，任意波形发生器在国外的研制及生产技术已较为成熟。以安捷伦（Agilent）和泰克（Tektronix）为代表的国际电子测量仪器公司在此领域进行了卓有成效的研究和开发，该产品无论在技术方面还是市场占有率方面都在国际上享有盛誉，但其价格也是相当的昂贵，高端型号每台价格都在几万美金左右，低端的也要几万人民币。Tektronix 公司的独立结构任意波形发生器 AFG3000 系列功能完善，操作方便，可以以多种方式连接到 PC 机上，其最高采样率能达到 2
13、GS/s，输出信号最高频率为 240MHz，任意波频率 50MHz，并配备的强大的波形编辑软件 ArbExpress，用户可以方便地创建和编辑自己的波形。Agilent 公司的 PXI 模块任意波形发生器采样率已经能达到 1.25GS/s，最高输出频率500MHz。我国从上世纪 90 年代开始研制任意波形发生器，近年来也有一批本土厂商奋起直追，并取得了可喜的成果。例如南京盛普科技电子有限公司的 SPF120 型信号发生器的主波2输出频率达到了 120MHz，任意波最高频率为 100KHz。1.2 任意波形发生器的功能任意波形发生器既具有其他信号源的信号生成能力，又可以通过各种编辑手段计算出任意
14、的波形采样数据，能够方便地合成其他信号发生器所不能生成的任意波形，从而满足测试和仿真实验的要求 5。任意波形发生器的主要功能包括 5：（1）函数发生功能在试验中验证电路功能、稳定性和可靠性时，需要给它施加一个理想波形，而任意波形发生器就能替代函数发生器提供正弦波、方波、锯齿波、三角波等波形，同时还具有各种调制和扫频能力。任意波形发生器的这一基础功能能够满足一般实验的信号需求。（2）任意波形生成在实际电子环境中运行的设备，由于各种干扰的存在以及环境的因素，电路中往往存在各种缺陷信号和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等。任意波形发生器可以模拟这些特殊信号，用来测试系统的实际性能。（3
15、）信号还原功能在军事、航空等领域中，有些电路运行环境很难估计，设计完成之后，还需要在现实环境中更进一步的进行实验验证，但有些实验的成本很高且风险性很大，实验员不可能重复作实验来判断所设计产品的可行性和稳定性。此时，可以利用任意波形发生器的信号还原功能。所以当我们在做一些高耗费、高风险的实验时，可以通过示波器把实际中所要用到的波形记录下来，再下载到任意波形发生器中，通过任意波形发生器还原实验中得到的实际波形并加到设计电路中，做进一步的实验验证 5。3第二章 电子设计自动化（EDA）简介2.1 EDA 概述20 世纪 90 年代以来，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设
16、计方法，并进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如 CPLD、FPGA）的应用，已得到广泛的应用，他们为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的使用可以如同软件设计那样方便并可重复使用。这一切改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了 EDA 技术的迅速发展。 EDA 技术是电子设计领域的一场革命，它就是以计算机为工具，设计者通过 EDA 软件平台，用硬件描述语言 VHDL 来设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适
17、配编译、逻辑映射和编程下载等。EDA 技术的出现，在极大地提高电路设计的效率和可操作性的同时，也减轻了设计者的劳动强度。 利用 EDA 工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系统，很多工作都可以通过计算机来完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出 PCB 版图的整个过程在计算机上进行自动处理完成。 2.2 EDA 的工具软件 及编程语言 EDA 工具软件大致上可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。 目前进入我国并具有广泛影响的 EDA 软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件着两种，如 Protel、Matlab、 Altium
18、 Designer、PSPICE、multiSIM10、OrCAD、LSIIogic、MicroSim、ISE、PCAD、modelsim 等等。这些工具都有较强的功能，应用方面也比较广阔，例如许多的软件都可以进行电路设计与仿真，同时还可以进行 PCB 自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口等等方面。 EDA 在编程语言方面常用的有以下几种：1、VHDL 语言：超高速集成电路硬件描述语言（VHSIC Hardware Deseription Languagt，简称 VHDL） ，是 IEEE 的一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路（Very High Speed I
19、ntegrated Circuit，简称 VHSIC）计划，是 ASIC 设计和 PLD 设计的一种主要输入工具。 2、Veriolg HDL：是 Verilog 公司推出的硬件描述语言，与 VHDL 语言在 ASIC 设计方面平分秋色。 2.3 EDA 中的可编程逻辑器件EDA 中的可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻4辑器件（CPLD） 。在这种两中可编程逻辑器件中，FPGA 具有最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。如今最新的 FPGA 器件，可提供八百万“系统门” （相对逻辑密度） 。 这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如 IBM Po
20、wer PC） 、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件（device-to-device）信号技术。FPGA 被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储，以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。 与此相比，CPLD 提供的逻辑资源就比较少，最高约 1 万门。 但是，CPLD 提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用还是很理想的。2.4 EDA 的应用 EDA 在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，主要是让学生了解 EDA 的基本概念和基本原理、掌握用 VHDL 语言编写程序时的规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用 EDA 工具进行
21、电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如 multiSIM、PSPICE）和 PLD 开发工具（如Altera/Xilinx 的器件结构及开发系统） ，为今后工作打下基础。 科研方面主要是利用虚拟仪器进行产品测试；利用电路仿真工具进行电路设计与仿真；从事 PCB 设计和 ASIC 设计；将 CPLD/FPGA 器件实际应用到仪器设备中等。 在产品设计与制造方面，包括计算机仿真，产品开发中的 EDA 工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的 EDA 技术应用、产品测试等各个环节。如 PCB 的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC 的制作过程等。
22、 从应用领域来看，EDA 技术已经渗透到各行各业，包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域。与此同时，EDA 的功能日益强大，由原先功能比较单一的软件，到现在增加了很多新用途。如 AutoCAD 软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等领域 13。 2.5 EDA 技术的发展趋势 从目前的 EDA 技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。EDA 在中国的市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的还是 PCB 制板和小型 ASIC 领域，仅有小部分的设计人员开发复杂的片上系统器件。为
23、了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的 EDA 技术。 在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以网络技术、数字技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。还要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助工程（CAE） 、产品数据管理（PDM） 、计算机辅助工艺（CAPP） 、计算机机辅助制造（CAM） 、制造资源计划（MRPII）及企业资源管理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造” ，便于合作设计、
24、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在 ASIC 和 PLD 设计方面，向低电压、超高速、低功耗、高密度方面发展。 5现在对于外设技术与 EDA 工程相结合的市场前景非常看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。自 1995 年以来，中国加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推出了一系列设计活动以应对 EDA 市场在亚太其他地区的竞争。 在 EDA 软件开发方面，目前主要集中在美国。而各国也正在努力开发相应的工具。韩国、日本都有 EDA 设计工具，但不对外开放。中国华大集成电路设计中心，也提供 IC 设计软件，但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花并结果。据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年增长率分别达到了 50%和 30%。
