FPGA實(shí)現(xiàn)的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

波形發(fā)生器廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域，是一種為電子測量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號設(shè)備，和示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣是最普通、最基本也是應(yīng)用最為廣泛的電子儀器之一，幾乎所有電參量的測量都要用到波形發(fā)生器。隨著通信、雷達(dá)的不斷發(fā)展，對信號源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率的個(gè)數(shù)以及信號波形的形狀也提出越來越多的要求。不僅要求能產(chǎn)生正弦波、方波等標(biāo)準(zhǔn)波形，還能根據(jù)需要產(chǎn)生任意波形，且操作方便，輸出波形質(zhì)量好，輸出頻率范圍寬，輸出頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度及分辨率高，頻率轉(zhuǎn)換速度快且頻率轉(zhuǎn)換時(shí)輸出波形相位連續(xù)等。可見，研究制作高性能的任意波形發(fā)生器十分有必要，而且意義重大。

1 任意波形發(fā)生器的FPGA實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)框架如圖1所示，上位機(jī)產(chǎn)生任意波形數(shù)據(jù)，經(jīng)USB2．0控制器CY7C68013A與FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)相連。將數(shù)據(jù)下載到FPGA的RAM當(dāng)中，再通過硬件電路依次從波形存儲器中讀取出來，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換及濾波后得到所需信號波形輸出。

關(guān)于DDS的基本原理與結(jié)構(gòu)在這里就不再加以闡述，用FPGA按照DDS的基本原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)任意波形發(fā)生器，所以DDS的幾個(gè)基本部分都是應(yīng)當(dāng)具備的。實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生的關(guān)鍵在于把存放波形量化表的ROM換成了可以改寫的RAM，這樣通過與RAM的接口可以改變存放在波形RAM中的數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生。這里主要介紹控制部分、相位累加器、波形RAM幾個(gè)模塊來敘述任意波形發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)。
1．1 控制部分
這個(gè)部分主要是要解決DDS模塊與單片機(jī)的接口問題。在FPGA的實(shí)現(xiàn)中，主要設(shè)計(jì)了2個(gè)模塊，一個(gè)是輸入寄存器模塊，為了接收單片機(jī)寫入的頻率控制字。另外一個(gè)是地址分配模塊，這樣單片機(jī)就可以通過不同的地址來選通FPGA各個(gè)模塊工作。設(shè)計(jì)中DDS采用了32位的相位累加器。這樣對于一個(gè)頻率控制字，單片機(jī)要分4次分別寫入4個(gè)字節(jié)；基于這樣的要求，設(shè)計(jì)了輸入寄存器模塊如圖2，這個(gè)部分主要是要解決DDS模塊與單片機(jī)的接口問題。

din[7．．0]是該模塊與單片機(jī)數(shù)據(jù)線的接口，clr是低電平異步清零，en是高電平使能，elk為數(shù)據(jù)寫入時(shí)鐘，dout[31．．O]是寄存器輸出的32位頻率控制字。該模塊工作過程為：當(dāng)en為高電平，clr也為高電平時(shí)，elk的上升沿將輸入的8位數(shù)據(jù)鎖存進(jìn)該模塊中，當(dāng)鎖存完4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，自動將該4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)按照先寫入的在高位的順序組合成一個(gè)32 bit的數(shù)據(jù)輸出到dout[31．．0]。
該模塊的功能仿真圖如圖3所示，看到當(dāng)clr=‘1’并且en=‘1’時(shí)，經(jīng)過4個(gè)時(shí)鐘，dout上將前4個(gè)時(shí)鐘的值‘00’、‘01’、‘02’、‘03’組成32位的‘00010203’數(shù)值輸出在dout上。