基于fpga与单片机的多功能信号发生器的设计与实现

    宗接华+赵春红+王超

    

    

    

    摘要：文章设计的多功能信号发生器以FPGA芯片为系统核心，利用单片机进行系统控制，采用液晶屏作为显示界面，设计的信号发生器可以产生正弦波、三角波、矩形波及任意波形等信号，并且信号具有精度高、频带宽、稳定度高等特点。

    关键词：信号发生器；FPGA；单片机

    信号发生器是一种常用的信号源，在教学科研、生产、遥感遥测等众多场合都有着广泛的应用，是一种为电子测量工作提供电信号的设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最基本也是应用最广泛的电子仪器之一[1]。随着近年来电子技术的迅猛发展，电子测量工作对于包含波形发生器在内的电子测量仪器提出了越来越高的要求。为适应现代电子技术的不断发展和市场需求，研究制作高性能的多功能波形发生器十分必要。

    1方案比较及选择

    信号发生器主要可以采用两种方案来实现。一种方案是以AD公司的直接数字频率合成芯片为核心，通过单片机进行控制，从而输出信号波形。另一种方案是以现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray，FPGA）芯片为核心，采用直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）技术，以单片机芯片为控制器，从而实现波形输出。将以上两种方案进行比较，方案一的特点是频率范围宽、频率稳定度高、编程工作量较少，但是只能输出正弦波和方波且成本较高；方案二的特点是频率范围宽、频率稳定度较高，不仅可输出正弦波和方波这两种常用波形，同时还可以输出三角波、锯齿波及任意波形，且成本较低。故本设计采用方案二来实现。

    2系统总体设计

    本设计以FPGA芯片EP4C6E22C8为核心，以单片机AT89S51为控制器，通过矩阵式键盘进行输入输出控制，液晶屏1602为显示界面，可实现正弦波、方波、三角波、锯齿波及任意波等波形的输出，如图1所示。本设计输出频率范围为0.1Hz?10MHz，频率分辨率为0.1Hz，频率稳定度较高。

    3系统主要模块电路

    3.1单片机控制电路

    单片机芯片在整个系统中起到控制协调作用。该电路包含4X4矩阵式键盘，通过键盘可以输入各种频率值，同时通过键盘中的控制键可以实现整个系统的复位、频率数据的发送等操作。单片机外围连接了1602液晶显示屏，可以将当前的频率、波形类型及输入频率、预设波形类型显示出来。单片机要根据输入的频率值，计算出相应的频率控制字，计算的公式如下所示：

    其中，f是输出频率，fc为FPGA芯片的时钟信号，频率为160M，相位累加器的宽度n取值为40。

    3.2基于FPGA的DDS电路

    DDS以高精度时钟信号作为参考，经由相位累加器及寄存器，在正弦查找表中找到相应的幅值信息，通过D/A变换得到相应的数字信号，再选用低通滤波器，最后输出正弦信号[2]。本设计选用FPGA芯片EP4C6E22C8作为系统的核心，该芯片的功能分成3个模块：控制逻辑模块、IP核模块及信号生成模块。

    控制逻辑模块主要实现与单片机的通信，接受单片机传送过来的48位频率控制字，同时为了增强系统的稳定性，在本模块采取了相应措施解决了亚稳态问题。

    为了提高系统的设计效率和稳定性，本系统选用Altera公司定制好的IP核，分别来产生正弦信号、三角波信号以及任意波形信号。方波信号通过生产一个比较器来产生。

    信号生产模块是FPGA芯片的顶层模块，在编写代码的过程中，需将以上两个模块例化，同时该模块有两个引脚与单片机相连，由单片机来控制最终输出的数字波形信号。

    3.3D/A转换电路及放大电路

    为了将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号，本设计采用DAC908芯片来实现。该DAC908是一种高速芯片，输入数字量位宽为8位。该芯片具备出色的更新速率，并特别适合于满足多种应用的需求。DAC908具有高阻抗，电流输出能提供20mA的标称范围和高达1.25V的输出标准。差分输出允许两个差分或单端模拟信号的接口。

    D/A转换电路的后级采用OPA690芯片构成放大电路，同时将电流信号转换为电压信号输出，如图2所示。OPA690芯片具有頻带范围宽、单位增益稳定、高转换速率、高输出电流及低电源电流等特点，可单电源或双电源供电，使用灵活。

    3.4滤波电路

    从放大电路输出的信号波形含有大量的谐波，从而影响了信号的质量。为了进一步提升输出信号的质量，可以采

    用低通滤波器对该信号进行滤波。本系统采用专用的滤波器设计软件BiterSolution进行滤波器设计，经过比选，确定了一个七阶椭圆低通滤波器，如图3所示。

    4系统测试

    本系统采用了泰克示波器、直流电压源等实验仪器仪表进行了测试和测量。

    4.1输出频率稳定测试

    通过对特定频率信号进行测试，数据整理如表1所示，部分实测波形如图4所示。

    4.2系统功能测试

    （1）波形输出类型：正弦波、三角波、方波及任意波形。（2）波形输出频率范围：0.1Hz?10MHz。（3）输出信

    号频率稳定度：优于10-4。（4）输出电压幅度：在空载情况下用示波器测得的电压峰-峰值Vop-p为2V左右。（5）失真度：在0?10M范围内，正弦信号、三角信号为明显失真，方波信号在1MHz以上出现了失真。

    5结语

    本文以FPGA芯片为核心，利用单片机进行控制，可以输出多种常用信号，克服了以上缺点。经过产品总体测试，各项功能均己按预定的指标实现，且性能较为稳定。并且系统的整体价格较低，可以在高校、科研所、电子公司推广使用。

    [参考文献]

    [1]许开华.DDS任意波形发生器波形数据生成及传输接口设计[D].成都：电子科技大学，2007.

    [2]宗接华.基于DDS的实用信号发生器设计[D].长沙：湖南大学，2011.