基于FPGA的復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器研究的中期報(bào)告

基于FPGA的復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器研究的中期報(bào)告一、研究背景與意義隨著科技的不斷進(jìn)步和電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，各種電子設(shè)備的普及和應(yīng)用，使得對(duì)于電子器件的精度、穩(wěn)定性等方面要求越來(lái)越高。而對(duì)于科學(xué)研究、醫(yī)療診斷、電子測(cè)試等領(lǐng)域則更是對(duì)精度要求極高，為了滿(mǎn)足這些需求，復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器逐漸成為了必不可少的基礎(chǔ)測(cè)量?jī)x器之一。傳統(tǒng)的復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器主要是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）與隨后的直接數(shù)字合成器（DDS）進(jìn)行信號(hào)處理和合成的，但是這種方法的局限性較大，主要表現(xiàn)在：一是實(shí)時(shí)性較差，需要緩存一定量的采樣數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理和輸出，而且處理速度依賴(lài)于DSP或FPGA的處理能力，處理速度較慢；二是輸出精度相對(duì)較低，DDS合成中采用的相位累積方法由于計(jì)算精度的受限，導(dǎo)致輸出信號(hào)精度不高?；谶@些困難，本研究采用了FPGA作為信號(hào)處理和合成的載體，運(yùn)用硬件加速的方式來(lái)提高實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確度，通過(guò)采用IIR濾波器和可編程時(shí)鐘模塊，在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器的相位與頻率控制，實(shí)現(xiàn)高精度和高靈活性的信號(hào)合成。二、研究?jī)?nèi)容1.FPGA硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要由FPGA、時(shí)鐘模塊、RAM存儲(chǔ)器和LCD顯示屏等模塊組成。其中FPGA主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理和復(fù)雜函數(shù)合成，時(shí)鐘模塊用于控制輸出信號(hào)的頻率和相位，RAM存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)各種參數(shù)和信號(hào)，LCD顯示屏用于顯示相關(guān)信息。2.復(fù)雜函數(shù)的計(jì)算與合成本設(shè)計(jì)采用基于CORDIC算法的極坐標(biāo)形式計(jì)算復(fù)雜函數(shù)，通過(guò)時(shí)鐘模塊對(duì)采樣率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)任意波形的輸出。復(fù)雜函數(shù)計(jì)算和合成的具體實(shí)現(xiàn)方案為：(1)以歐拉公式為基礎(chǔ)，采用CORDIC算法將復(fù)雜數(shù)字轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)形式，其中模長(zhǎng)和相位分別由CORDIC算法進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)和虛數(shù)的形式，得到正交標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。(2)通過(guò)IIR數(shù)字濾波器對(duì)正交標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)頻域的調(diào)節(jié)和信號(hào)整形，濾波后得到原始信號(hào)。(3)通過(guò)使用FPGA內(nèi)部DDS模塊和計(jì)數(shù)器模塊對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的合成。3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言編程，主要實(shí)現(xiàn)FPGA的各種模塊控制以及與外界的數(shù)據(jù)交互。通過(guò)LCD顯示屏和按鍵，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和顯示，提高系統(tǒng)的可操作性。三、研究進(jìn)展本研究目前實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器硬件平臺(tái)的搭建，采用FPGA和各個(gè)模塊的邏輯設(shè)計(jì)，完成了模塊之間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，并使用ModelSim進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜函數(shù)計(jì)算的算法，采用CORDIC算法將復(fù)雜數(shù)字轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)形式，IIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)濾波和信號(hào)整形，DDS模塊和計(jì)數(shù)器模塊實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的復(fù)雜信號(hào)合成。最后，實(shí)現(xiàn)了與系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)交互，并使用LCD顯示屏和按鍵實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和顯示。四、研究展望本研究將繼續(xù)深入研究與優(yōu)化，主要包括：1.優(yōu)化復(fù)雜函數(shù)計(jì)算和合成的效率和精度，并加入其它的濾波算法以提高系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。2.針對(duì)復(fù)雜函數(shù)發(fā)生器的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的外部接口，如通過(guò)USB、RS232和以太網(wǎng)等接口，實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備的連接和數(shù)