任意波形發(fā)生器

1緒論1任意波形發(fā)生器的發(fā)展歷程任意波形發(fā)生器（ArbitraryWaveGenerator）是在1975年開發(fā)成功的，從此，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品增加了一個(gè)新品種。在任意波形發(fā)生器作為測(cè)量用信號(hào)激勵(lì)源進(jìn)入市場(chǎng)之前，為了產(chǎn)生非正弦波信號(hào)，已使用函數(shù)發(fā)生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等幾種特殊波形。聲音和振動(dòng)分析需要復(fù)雜調(diào)制的信號(hào)源，以便仿真真實(shí)的信號(hào)，只有借助任意波形發(fā)生器，例如醫(yī)療儀器測(cè)試往往需要心電波形，任意波形發(fā)生器很容易產(chǎn)生各種非標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)信號(hào)。早期的任意波形發(fā)生器主要著重音頻頻段，現(xiàn)在的任意波形發(fā)生器已擴(kuò)展到射頻頻段，它與數(shù)字示波器（DSO）密切配合，只要數(shù)字示波器捕獲的信號(hào)，任意波形發(fā)生器就能復(fù)制出同樣的波形。在電路構(gòu)成上，數(shù)字示波器是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，任意波形發(fā)生器是數(shù)字/模擬的逆轉(zhuǎn)換，目前任意波形發(fā)生器的帶寬達(dá)到2GHz，足夠仿真許多移動(dòng)通信、衛(wèi)星電視的復(fù)雜信號(hào)。生產(chǎn)數(shù)字示波器的儀器公司一般都供應(yīng)任意波形發(fā)生器，如安捷倫、力科、泰克公司，也有只生產(chǎn)任意波形發(fā)生器的公司，如雷科、斯坦福公司。儀器有臺(tái)式、PC機(jī)虛擬、VXI總線、PXI總線等多種方式，大部分產(chǎn)品只有1路輸出，有的高達(dá)16路輸出。儀器采樣率從最低的100KS/s到4GS/s，相當(dāng)實(shí)時(shí)帶寬50kHz到最高的2GHz。產(chǎn)生任意波形的方法主要有兩種：即存儲(chǔ)器和直接數(shù)字合成（DDS），前者電路比較簡(jiǎn)單，分兩種形式：相位累加器式與計(jì)數(shù)器式，但需要較深的存儲(chǔ)容量。任意波形發(fā)生器的波形定義主要有面板設(shè)定、方程式設(shè)定、波形下載、軟件設(shè)定、數(shù)字示波器下載、內(nèi)置編輯器等多種。2任意波形發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用任意波形發(fā)生器的應(yīng)用非常廣泛，在原理上可仿真任意波形，只要數(shù)字示波器或其它記錄儀捕捉到的波形，任意波形發(fā)生器都可復(fù)制出，特別有用的是仿真單次偶發(fā)的信號(hào)，例如地震波形、汽車碰撞波形等等。任意波形發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)是更高取樣率，更高分辨率和更大存儲(chǔ)量，目前實(shí)時(shí)帶寬超過(guò)1GHz的產(chǎn)品比較少，而且分辨率只有8位，不能滿足快速發(fā)展的移動(dòng)通信和高速網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量要求。與數(shù)字存儲(chǔ)示波器相比，任意波形發(fā)生器的全面指標(biāo)存在明顯差距，前者的取樣率達(dá)到20GS/s和帶寬6GHz，后者的取樣率是4.8GS/s和帶寬2GHz。任意波形發(fā)生器首先要趕上數(shù)字存儲(chǔ)示波器，然后再往前發(fā)展，因?yàn)樵陔娐窐?gòu)成方面，任意波形發(fā)生器的核心部件是高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它的工藝潛力還很大，顯然缺少的是市場(chǎng)需求。任意波形發(fā)生器在通信系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。任意波形發(fā)生器的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是低頻，例如心電圖、汽車點(diǎn)火、防撞氣囊、醫(yī)療儀器等。2統(tǒng)分析及方案論證1系統(tǒng)分析本設(shè)計(jì)要求利用實(shí)驗(yàn)儀器現(xiàn)有的資源，通過(guò)FPGA（EPM7128SLC84-15）、D/A（AD558）、時(shí)鐘模塊等設(shè)計(jì)一個(gè)全數(shù)字化的波形發(fā)生器。通過(guò)對(duì)輸入端的控制，可輸出方波、三角波、鋸齒波、正弦波四種波形，并可通過(guò)頻率控制端對(duì)輸出波形的頻率進(jìn)行簡(jiǎn)單控制。波形發(fā)生器有多種實(shí)現(xiàn)方案，一種是根據(jù)波形函數(shù)通過(guò)VHDL寫出每一種波形的描述代碼，再把產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過(guò)外部的D/A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬波形；另一種是用其他的工具產(chǎn)生各種波形的16進(jìn)制代碼，通過(guò)VHDL描述一個(gè)ROM和相應(yīng)的控制器，再在時(shí)鐘信號(hào)作用下，把數(shù)據(jù)輸出到外部D/A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬波形。由于對(duì)ROM的設(shè)計(jì)并不熟悉，故采用第一種方案。1方案論證對(duì)于采用第一種方案實(shí)現(xiàn)，其外部電路主要有：波形選擇開關(guān)（撥碼開關(guān)）、D/A轉(zhuǎn)換器（AD558）、時(shí)鐘信號(hào)源。波形發(fā)生器的組成電路主要有：信號(hào)輸入電路，A/D采樣電路，時(shí)鐘電路，F(xiàn)PGA芯片。除FPGA芯片需自行設(shè)計(jì)外，其他電路在實(shí)驗(yàn)儀器中都已做好，只需將它們與FPGA芯片連接起來(lái)即可?？紤]D/A采樣方法。在設(shè)計(jì)波形發(fā)生器時(shí)，對(duì)于D/A采用何種方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣也是很關(guān)鍵的，采樣方法主要有實(shí)時(shí)采樣和等效采樣兩種。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于使用哪種取樣類型取決于測(cè)試信號(hào)的形式：如果是重復(fù)信號(hào)波形，采用實(shí)時(shí)取樣和等效取樣都行，但使用等效取樣方法更為經(jīng)濟(jì)。對(duì)觀察非周期信號(hào)和瞬態(tài)信號(hào)，實(shí)時(shí)取樣方法能更好的處理和分析。FPGA設(shè)計(jì)。FPGA設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，它是整個(gè)波形發(fā)生器的控制中心和數(shù)據(jù)處理中心，負(fù)責(zé)完成D/A的控制。在FPGA芯片中，至少需要設(shè)計(jì)的模塊有：D/A控制器，時(shí)序產(chǎn)生器，同步器等。1） D/A控制器：生成采樣時(shí)鐘及D/A采樣芯片的控制信號(hào)，并讀取D/A采樣結(jié)果。2） 時(shí)序產(chǎn)生器：產(chǎn)生各單元所需的各種時(shí)鐘信號(hào)。3） 同步器：產(chǎn)生各種所需的同步信號(hào)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的同步傳送3.1VHDL設(shè)計(jì)VHDL描述見附錄。端口說(shuō)明:CLK:時(shí)鐘脈沖FC:頻率選擇33.1VHDL設(shè)計(jì)VHDL描述見附錄。端口說(shuō)明:CLK:時(shí)鐘脈沖FC:頻率選擇3系統(tǒng)設(shè)計(jì)生成器件CLR:清零WC:波形選擇ENA:使能控制CQ:輸出（接AD558）2設(shè)計(jì)說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器的功能是把二進(jìn)制數(shù)字量電信號(hào)轉(zhuǎn)換為與其數(shù)值成正比的模擬量電信號(hào)。AD558可讀入從“00000000”到“11111111”共256個(gè)二進(jìn)制數(shù)，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)模擬量電信號(hào)的值從0V到2.56V。本VHDL設(shè)計(jì)以計(jì)數(shù)器為基礎(chǔ)，針對(duì)AD558的特性，通過(guò)不同的計(jì)數(shù)方式來(lái)產(chǎn)生不同的波形描述代碼。通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)clk來(lái)產(chǎn)生方波、三角波的計(jì)數(shù)控制信號(hào)clk1和clk2；clk1為clk的128分頻信號(hào)，clk2為clk的256分頻信號(hào)；并對(duì)clk進(jìn)行2分頻來(lái)產(chǎn)生正弦波的時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)ck。＞方波：在clk時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)下，分別以clk1和clk2為控制信號(hào)，對(duì)fb進(jìn)行賦值。＞鋸齒波：在clk時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)下，對(duì)jcb分別進(jìn)行7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)和8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)。＞三角波：在clk時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)下，以clk1和clk2為控制信號(hào)，分別對(duì)sjb進(jìn)行7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)和8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)。＞正弦波：首先將正弦波的半周期分成64份，每份取一點(diǎn)，并算出各點(diǎn)的值。在ck時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)下，通過(guò)count計(jì)數(shù)，逐一將正弦波半周期內(nèi)64個(gè)點(diǎn)的值賦給zxb，再通過(guò)clk2來(lái)控制zxb的輸出。由于方波、三角波均以clk為時(shí)鐘信號(hào)，且以clk1和clk2為計(jì)數(shù)控制信號(hào)，故輸出波形的頻率高、低分別為clk頻率的1/256和1/512,；鋸齒波的高頻和低頻分別為clk頻率的1/128和1/256；正弦波的頻率為clk頻率的1/128。

4系統(tǒng)仿真測(cè)試4.1波形仿真4.1.1清零Name:■■向id 1.DU3 2.0us 3Oi Ous5.0J：6Tin Tus7Our 1COus11Ous12.0us 13.u^-fcJ L0ena0clr0H9i>-elk0wmnrinnaannnwnnMmmnnBmnnMrtnnnmn??Mdk20TiSclkl0-u?ck1nF*H.D0cqHODUJ ；|5.此us |l*1+1布3~l-l.Li：.. | ^60口雁5.DEIug□說(shuō)明：當(dāng)clk=0或ena=0時(shí)，或二者都等于0時(shí)，電路不工作。4.1.2方波Ref:|51.O5u$ |網(wǎng)函Time:|19.0673旺 Inletval：|-31.9828u$項(xiàng)1Su#□,Wall西甲口學(xué) ［弓pug BQ.pu勺 35.pu女 4O.pum 「us. R.pLM- S.Ous EO.Dus E5Dub 70.Ci ■ ■ 11Mf?wnm1clr1as*elk0■MHWIHMHHHHIMnHHmHlHHIMMHHHiUHUII3clk20—clkl1—:■S^Wi?BOO03—cqHFF甲D.FF￡FI * FF ￡ 」__JS.吒.A.. ,J- Z如..；說(shuō)明：電路工作，當(dāng)fc=1且wc=00時(shí)，輸出高頻方波，賦值以clk2為控制信號(hào)，分別賦給輸出信號(hào)低電平“00000000”（0V）,高電平“11111111”（2.56V）。4.1.3三角波Ref.冏.149典Name.^Valu.5us■i北.CL;1Time:|dT.仰due |Interval:|-3.83O3典48.5ug49.CIUW^9.6lI￡ 50.Ous33.5u§iiii15i.mi_^51.1d9us61.5us 52.Ous52.5us 63.Ous 53.5us 54.0ugi i i i n iW-fcD1遷lclrMi"elk11"_n_n_LrLn_n_n_n_TL「LR_TLn_u_njuwuuwwLmuuuuu1clklD命V:B0131cqHOO說(shuō)明：電路工作，當(dāng)fc=0且wc=01時(shí)，輸出低頻三角波，計(jì)數(shù)以clk2為控制信號(hào)，輸出信號(hào)進(jìn)行8位二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)。Fef：25536皓 Fef：25536皓 *|*Time |Intervalu^-fc二—enaclrelk—clk2Clk1^=-砒cqOug2i>is230us235us24Cue'45us25Gus26f]25.鈕us -us26Ous265us27Ous27.5u3 20Ous] ? " i111101日DIHOODl睡疸施一fcO：?2>73p-l?:況（對(duì)宥座戶他題??.，?C制，.象園.w.通'?:或3?.：戲咬:回頑以逆，-3,?32ug說(shuō)明：電路工作，當(dāng)fc=1且wc=01時(shí)，輸出高頻三角波，計(jì)數(shù)以clkl為控制信號(hào)，輸出信號(hào)進(jìn)行7位二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)。

Name:/ya|q^48.5uS 49.0us 40.5uS 33.0ug3D.5US51.0實(shí)51.5u§ 51Du￡ 52.6ug 53.Dus53.5u￡ 54.0us 545lill* ? i躊J L.D1rlr1elk1nrLrLTLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLr^rLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrLrelk?1Pclk1Dn*'yB1010宅砂eqHDDRef: *|，|lime.|』Ei.622um |IrdBival:至.也8典.17us說(shuō)明：電路工作，當(dāng)fc=0且wc=10時(shí)，輸出低頻鋸齒波，計(jì)數(shù)以clk2為控制信號(hào)，輸出信號(hào)進(jìn)行8位二進(jìn)制計(jì)數(shù)。Ref:76762ug *[*]Time:?■!9696ug l-tgr^l:-i.792ius j767S2us 、Q .,Narre物1世心布§如花pus7E.§us77.0us 77.5us 70Ous7HSus79Dus79.Sus80.Dusffl.5us 81.Ousi i i i ■ ■ > i iA"fc 1：lj^Bna■.itf-clr1_lelkdIL21.-c*clklmBID108cqHDI'舊工近面墮區(qū)畫回匝應(yīng)甌使汪匝屈叵回包恒;說(shuō)明：電路工作，當(dāng)fc=1且wc=10時(shí)，輸出高頻鋸齒波，計(jì)數(shù)以clk1為控制信號(hào)，輸出信號(hào)進(jìn)行7位二進(jìn)制計(jì)數(shù)。4.1.5正弦波Ref14.Q2usName-L□n_9KI3i■v-d：1蹬?elkQ-ck1■■FwcB11_cqH2A殷caurnRef14.Q2usName-L□n_9KI3i■v-d：1蹬?elkQ-ck1■■FwcB11_cqH2A殷caurnH12DB|T:me:8.Q84EU911-恥匪XLLX疽sx陽(yáng)xgx.mx布X胡XWFX繭X*J如*此JM'1?也.皿竺」UQ2us9.QusDQQDCEOF■10II121314151S17191A)IDDusTlDue12.Dua15.DusIEDus17QusIB.Dus19DusZ^.Dus21I：13Dug14Dus：5說(shuō)明：電路工作，當(dāng)wc=11時(shí)，輸出正弦波，以ck為count的計(jì)數(shù)時(shí)鐘信號(hào)，利用count進(jìn)行6位二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)，將正弦波半周期64點(diǎn)所的對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值逐一賦給輸出信號(hào)。4.2硬件調(diào)試Clk：f=4.99989-4.99988MHz方波Clk：f=4.99989-4.99988MHz方波fc=0時(shí)f=9.76-9.77KHz,振幅：2.55Vfc=1時(shí)f=19.53-19.54KHz,振幅：2.56V三角波fc=0時(shí)f=9.78-9.83KHz,振幅：2.56Vfc=1時(shí)f=19.48-19.61KHz,振幅：1.27V鋸齒波fc=0時(shí)f=19.27-17.79KHz,振幅：2.56Vfc=1時(shí)f=38.22-40.01KHz,振幅：1.26V正弦波周期T=102.3-102.9us；占空比：50.03%-50.46%周期T=51.00-51.95us；占空比：49.83%-50.94%周期T=101.5-102.8us；占空比：48.9%-51.8%周期T=50.69-51.16us；占空比：49.51%-52.21%周期T=50.63-51.33us；占空比：50.68%-51.04%周期T=25.03-26.92us；占空比：50.76%-53.05%經(jīng)過(guò)調(diào)試，若要產(chǎn)生正弦波clk需要提高頻率當(dāng)clk:f=19.9995-19.9996MHz時(shí)，產(chǎn)生正弦波頻率為f=39.15-39.84KHz, 周期T=25.30-25.74us；振幅：2.56V 占空比：50.88%-51.64%分析：由硬件測(cè)試可知，產(chǎn)生的各波形的頻率符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路。但是，在生成正弦波時(shí)，需要增大clk的頻率，且生成的正弦波不是很穩(wěn)定。5總結(jié)通過(guò)本次設(shè)計(jì)，使我進(jìn)一步的掌握了MAXplusll的操作和使用，也對(duì)VHDL描述語(yǔ)言有了更深刻的認(rèn)識(shí)和理解，充分提高了自己獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力。對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，能夠及時(shí)地處理和解決。在這次設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了很多東西，例如對(duì)于上網(wǎng)如何更有效的搜索資料，在設(shè)計(jì)中，對(duì)于資料的有效整理、分類、取舍都有了很大收獲。同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中也加深了對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解。通過(guò)查閱大量的資料和書籍，學(xué)到了很多新的方法，拓展了自己的思維。也了解很多相關(guān)方面的新技術(shù)，新理論，新動(dòng)向。6參考文獻(xiàn)電子工業(yè)出版社《VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)技術(shù)》 陳耀和著機(jī)械工業(yè)出版社《VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì)》將亮、齊兆群、李曉凱著--方波產(chǎn)生模塊--方波產(chǎn)生模塊--三角波產(chǎn)生模塊7附錄根據(jù)設(shè)計(jì)要求，VHDL設(shè)計(jì)描述如下：libraryieee；useieee.std_logic_1164.all；useieee.std_logic_unsigned.all；entitywavesisport(clk,clr,ena,fc:instd_logic;wc:instd_logic_vector(1downto0);cq:outstd_logic_vector(7downto0));endentity；architectureaofwavesissignalfb,jcb,sjb,zxb:std_logic_vector(7downto0); --各種波形signalcqi:std_logic_vector(8downto0);signalcount:std_logic_vector(5downto0);signalcount1:std_logic_vector(1downto0);signalclk1,clk2,ck:std_logic;beginp1:process(clk,clr,ena)is --產(chǎn)生計(jì)數(shù)控制信號(hào)beginifclr='0'thencqi<="000000000";elsifclk'eventandclk='1'thenifena='1'thencqi<=cqi+'1';endif;endif;endprocessp1;clk1<='0'whencqi<128or(cqi>255andcqi<384)else'1';clk2<='0'whencqi<256else'1';p3:process(clk,clr,clk1,clk2)beginifclr='0'thenfb<=(others=>'0');elsif(clk'eventandclk='1')thenif(clk1='0'andfc='1')thenfb<="00000000";elsif(clk1='1'andfc='1')thenfb<="11111111";elsif(clk2='0'andfc='0')thenfb<="00000000";elsif(clk2='1'andfc='0')thenfb<="11111111endif;endif;endprocessp3;p4:process(clk,clr,clk1,clk2)beginifclr='0'thensjb<="00000000"；elsif(clk'eventandclk='1')thenif(clk1='0'andfc='1')thenifsjb="01111111"thensjb<="00000000";elsesjb<=sjb+1;endif;elsif(clk1='1'andfc='1')thenifsjb="00000000"thensjb<="01111111";elsesjb<=sjb-1;endif;elsif(clk2='0'andfc='0')thensjb<=sjb+1;elsif(clk2='1'andfc='0')thensjb<=sjb-1;endif;endif;endprocessp4;p5:process(clk,clr,ena)is --鋸齒波產(chǎn)生模塊beginifclr='0'thenjcb<="00000000";elsifclk'eventandclk='1'thenif(ena='1'andfc='1')thenifjcb="01111111"thenjcb<="00000000";elsejcb<=jcb+'1';endif;elsif(ena='1'andfc='0')thenjcb<=jcb+'1';endif;endif;endprocessp5;p6:process(clk,clr,ena) --分頻模塊，產(chǎn)生正弦波觸發(fā)脈沖beginifclr='0'thencount1<="00";elsifclk'eventandclk='1'thenifena='1'thencount1<=count1+'1';endif;endif;endprocessp6;ck<='1'whencount1<="01"else'0';p7:process(ck,clk1,clr,ena) --正弦波產(chǎn)生模塊beginifclr='0'thencount<="000000";elsifck'eventandck='1'thenifclk2='0'thencount<=count+'1';

elsifclk2='1'thencount<=count-endif；endif；endprocessp7；zxb<="00000000"when"00000000"when"00000000"when"00000001"when"00000001"when"00000010"when"00000011"when"00000100"when"00000110"when"00001000"when"00001011"when"00001110"when"00010001"when"00010101"when"00011000"when"00011100"when"00100001"when"00100101"when"00101010"when"00101111"when"00110101"when"00111010"when"01000000"when"01000110"when"01001100"when"01010010"when"01011000"when--正弦波賦值count="00000"elsecount="00001"elsecount="00010"elsecount="00011"elsecount="00100"elsecount="00101"elsecount="00110"else--正弦波賦值count="00000"elsecount="00001"elsecount="00010"elsecount="00011"elsecount="00100"elsecount="00101"elsecount="00110"elsecount="00111"elsecount="01000"elsecount="01001"elsecount="01010"elsecount="01011"elsecount="01100"elsecount="01101"elsecount="01110"elsecount="01111"elsecount="10000"elsecount="10001"elsecount="10010"elsecount="10011"elsecount="10100"elsecount="10101"elsecount="10110"elsecount="10111"elsecount="11000"elsecount="11001"elsecount="11010"elsecount="11011"elsecount="11100"elsecount="11101"elsecount="11110"elsecount="11111"elsecount="100000"elsecount="100001"elsecount="100010"elsecount="100011"elsecount="100100"else—波形選擇模塊—波形選擇模塊"10100000"when"10100111"when"10101101"when"10110011"when"10111001"wh