基于FPGA与单片机的信号发生器.docx

基于FPGA与单片机的信号发生器陈岳武(0919013402) 张人熙(0919013412) 周志武(0919013421) 吴景森(0919013432) 指导老师： 谭刚林 苏宏艮【摘要】在信号发生器的设计中,传统的用分立元件或通用数字电路元件设计电子线路的方法设计周期长,花费大,可移植性差。本设计可以产生100Hz到10MHz的任意波及正弦波、方波、三角波，矩形波，锯齿波等常规的函数信号；信号具有频率切换时间短、频率分辨率高，使用单片机灵活的控制能力与FPGA器件的高性能、高集成度相结合，克服了传统DDS设计中的不足，并且有良好的人机对话界面，只要通过按键设置就能得到所需要的信号，可以在不改变硬件平台的情况下, 随时对信号源系统进行重构或升级, 使得应用非常灵活和方便。【关键字】单片机；FPGA；D/A；信号发生器信号源作为一种基本的电子设备在通信、雷达、导航、测量、科研及教学等领域, 有着广泛的应用。特别是任意波形发生器, 由于其可以产生用户所需的各种实际信号, 使得用户以前需要在现场进行的调试,现在可以在实验室进行, 大大缩短了研发及现场安装的进度。目前, 直接数字频率合成技术以其能输出各种波形, 并且具有频率分辨率高、转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点成为中高档信号源发展的主流。因此, 本文介绍了一种基于单片机与FPGA的波形发生器,核心技术是直接数字频率合成.FPGA集成了固定分频器、单片通信模块、波形合成器及波形选择等模块,其输出的8位数据通过D/A转换并经功率放大后即得所需波形.单片机控制键盘与显示模块,提供了良好的人机界面.经过设计和电路测试,系统能产生正弦波、三角波、方波、梯形波和锯齿等波形，控制灵活,输出波形性能良好设计了具有良好人机交互的信号源面板。用户可以方便快捷地编辑出所需的各种波形输出。一、系统组成及方案论证与比较本系统系统设计主要包括四大部分：单片机主控模块，FPGA多路信号发生模块，LCD显示模块、D/A转换等模块。系统构成如下图所示： 设计思想：目前市场上已有的信号发生器有很多种，其电路形式有采用运放及分立元件构成；也有采用单片集成的函数发生器；以及以单片机和FPGA为核心，辅以必要的模拟电路构成的DDS数字信号发生器。在保证信号发生器的稳定性、频率范围、幅值范围等指标的同时，实现对输出信号的频率、相位和幅值的数字控制是现代信号发生器的发展方向。信号发生器一般是指能自动产生具有一定频率和幅度的正弦波、三角波（锯齿波）、方波（矩形波）、阶梯波等电压波形的电路或仪器。本论文主要研究由单片机控制，用现场可编程逻辑器件FPGA实现DDS功能，产生频率可调的五路波形信号，其各功能模块由硬件描述语言VHDL来实现。本设计利用了单片机强大的控制能力和FPGA灵活的编程风格，单片机控制信号的发生与选择，实现信号频率的调节，并通过LCD实时显示当前信号的名称与频率，FPGA负责各种信号的产生，在此设计中它能产生方波、正弦波、三角波、梯形波、锯齿波等几种常见波形的二进制数，然后将此数据送入D/A转换模块，转换出所需要的波形，并且考虑设计的实用性，增加了后级输出处理，使输出信号更稳定，大大增强了抗干扰能力。各模块方案论证:1、显示模块方案方案一：采用数码管显示。该方案具有程序简单，显示速度快等特点。但数码管显示需要外加驱动芯片，且只能显示数字。方案二：采用LCD1602显示。1602内部集成有显示芯片，可以识别英文字母、阿拉伯数字和日语片假名；1602并口传输速度较快，但只能显示少量汉字，达不到本系统的需求。方案三：使用基于ST7920的12864汉子图形点阵液晶显示。LCD12864内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵RAM（GDRAM），可采用串并口两种方式传输数据。该方案显示信息量大，可显示汉字及图形，具有驱动电压低；功耗微小；可靠性高，显示直观大方等优点。综上所叙，本设计显示模块选用LCD12864液晶显示。2、信号发生模块方案一：采用单片机自身产生，因为单片机既要进行按键扫描跟lcd显示驱动，如果又要进行多路信号发生，这样不仅会大大增加单片机的负担，而且产生的信号精度不高，转换速度慢，再者产生信号的频率达不到要求。方案二：采用FPGA发生，FPGA可以进行并行处理，反应速度快，频率可以达到非常高的精度，稳定性也很好，并且可以扩展进行相位调制，只是价格较单片机贵，但是也有性价比高的FPGA，如lattice公司的FPGA就比较实惠。如上所述，本设计采用方案二。三、系统电路设计1、AVR最小系统电路设计AVR最小系统由ATmega16单片机，ISP下载端口，晶振，复位电路及电源等组成。ATmega16是基于增强的