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武汉理工大学《能力拓展训练》课程设计说明书

简易信号发生器

1引言

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。它能够

产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波等，在电路实验和设备检

测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，

这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产

生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超

声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的信号发生器。

本设计采用FPGA来设计制作多功能信号发生器。该信号发生器可以产生锯齿波、三

角波、方波等波形。

2FPGA简介

FPGA（Field－ProgrammableGateArray）即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、

CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中

的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路

数有限的缺点。

与传统们阵列和掩模可编程门阵列(MPGA)相比，FPGA具有很多的优点，传统门阵列

可以用来设计任何电路，但是只能在工厂中一次性编程，而且还需要针对该电路的特定的

掩模。FPGA是标准通用器件。使用其代替MPGA，可以将设计时间由几个月缩短至几小

时，并且使设计更加简单，从而减少了错误修改和设计指标变更的花费。

FPGA器件在结构上，由逻辑功能块排列为阵列，它的结构可以分为三个部分：可编程

快CLB（ConfigurableLogicBlocks）、可编程I/O模块IOB（InputBlock）和可编程内部连

线PI（ProgrammableInterconnect）。CLB在器件中排列为阵列，周围有环形内部连线，IOB

分布在四周的管脚上。

FPGA也存在缺点，FPGA中，每个可编程的点都有电阻和电容。电阻和电容的使用减

慢了信号的传输速度，所以FPGA的速度比传统门阵列要低，而且，FPGA中互联延迟是

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不可预测的。

FPGA的基本特点主要有：

一、采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

二、FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

三、FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

四、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

五、FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

使用FPGA时，可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片

将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，

FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专

用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能

时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的

电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA

加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采

用串行PROM编程FPGA；