摘 要

函数信号发生器作为实验室最常用，最基础的仪器之一，它的性能影好坏响着整个实验的性能。直接数字频率合成技术DDS（Direct Digital Synthesizer）是一种从信号的相位出发的全新的数字频率合成技术，具有高精度，高稳定性等优点，已被广泛应用于各个领域。

本文通过现场可编程门阵列器件（FPGA），实现基于DDS原理的函数信号发生器。该函数信号发生器可以生成正弦波，方波，三角波三种波形，并可以对生成的波形进行调幅和调频。

本文在硬件方面使用ALINX的AX515 FPGA开发板及其配套的A/D转换模块及LCD模块，在软件方面使用Altera的QuartusII，采用Verilog语言编程。

实验结果表明，本次设计的信号发生器能达到预期的要求。

关键词：信号发生器 现场可编程门阵列 直接数字频率合成

The Development of FPGA-based Function Generator

Abstract

Function generator, as one of the most commonly used and most basic equipments in the laboratory, its performance do influence the performance of the whole experiment. Direct digital frequency synthesis technology (DDS) is a new digital frequency synthesis technology based on the phase of the signal, which has the advantages of high precision, high stability and other advantages, has been widely used in various fields.

This paper realizes a function generator based on field programmable gate array device (FPGA) and principle-based DDS. The function signal generator can generate three kinds of waveform: sine wave, square wave and triangle wave and can do amplitude modulation and frequency modulation.

In terms of hardware，this paper use AX515 FPGA demoboard and its supporting A/D and LCD module, which produced by ALINX. In terms of software，we use ALTERA's Quartus II to write a Verilog program.

Experimental results show that this function generator we designed can meet the expected demand.

Keywords: Function Generator; FPGA; DDS

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 课题来源及研究背景 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本文所做的工作 2

第二章 直接数字频率合成（DDS）原理 4

2.1频率合成技术综述 4

2.3 DDS特点 5

2.4 DDS杂散分析和抑制方法 6

2.4.1 DDS的杂散分析 6

2.4.2 DDS的杂散抑制方法 7

第三章 系统硬件部分 8

3.1系统设计框图 8

3.2 FPGA AX515开发板介绍 8

3.3 D/A模块 9

3.4 LCD模块 10

第四章 信号发生器软件设计 12

4.1 信号发生器模块分析 12

4.1.1 相位累加器 12

4.1.2 波形存储器 13

4.1.3 顶层控制模块 16

4.1.4 显示模块 18

第五章 系统的调试与分析 21

5.1 系统测试结果 21

5.2 系统测试分析 22

第六章 总结和展望 26

4.1 总结评价(遇到的问题和解决方案) 26

4.2 展望 27

4.2.1 本次设计的不足之处 27

4.2.2 函数信号发生器的前景展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第一章 绪论

1.1 课题来源及研究背景

函数信号发生器，在实验室主要作为提供各种输入信号的信号源，是如今各种电子通信实验和研究中必备的仪器设备之一，在通信，电子系统的测量，实验教学，校准和维护等领域有着非常广泛的应用。常见的函数信号发生器主要能产生正弦波，方波和三角波等一些基础波形，有的甚至能产生任意波形，每一种波形的曲线都可以用三角函数方程表示出来。

随着通信电子科技的高速发展，实验和研究工作对信号发生器的指标要求越来越高，已经不仅仅局限于生成正弦波，方波和三角波等标准波形，而是要能够产生任意波形，要求操作简单，波形不失真，频带范围宽，输出信号稳定。可见，为了满足高速发展的技术需要和不断上涨的市场需求，研究新型的性能更好的信号发生器迫在眉睫。传统的信号发生器大多数都是由模拟电路组成，存在硬件系统连接复杂，调试繁琐，稳定性差等缺点。而以VHDL语言和FPGA为核心的信号发生器，使系统具有更好的可靠性，而且信号实时性好，信号的测量更快速更准确。FPGA具有静态可重复和动态可系统重构的优点，改变硬件功能只需要修改程序，不需要改变任何硬件电路部分，方便快捷，效率高，研发周期短。

1.2 国内外的研究现状

1.2.1 国外研究现状

数字信号处理技术的飞速发展，加快了数字化技术在各种信号仪器制造生产方面的应用。传统的模拟信号处理技术开始渐渐被数字信号处理取代，数字信号相比模拟信号，提高了信号测量的准度、精确度和切频速度，克服了传统模拟信号的许多缺陷。与此同时，实验对信号源仪器的指标要求原来越高，这也就促使了信号发生器的发展。此时，数字信号发生器应运而生。

90年代末，惠普公司生产出了型号为HP770S的模拟信号生成装置，由HP770A波形数字化模块电路和HP1776A波形发生器组成。价格非常昂贵，波形也只有8种。之后，Analogic公司的Data-2020的波形发生器上市。

进入21世纪，随着大规模集成电路技术的高速发展，DDS技术出现了。市面上销售的DDS芯片工作频率已经可以达到GHz，DDS作为一项关键技术，极大的促进了波形发生器的发展进程。2003年，安捷伦公司的的型号为33220A的信号发生器已经能够生成17种波形，最高频率达到了20MHz。

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