基于FPGA的多功能信号发生器的制作方法

本实用新型涉及电子仪器设备相关技术领域，尤其是涉及一种能输出任意波形的基于FPGA的多功能信号发生器。

背景技术：

信号发生器是一种常用的信号源，在教学科研、生产、遥感遥测等众多场合都有着广泛的应用。是一种为电子测量工作提供电信号的设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最基本也是应用最广泛的电子仪器之一。现有的信号发生器大多数是以AD公司的直接数字频率合成芯片为核心，通过单片机进行控制，从而输出信号波形，其特点是频率范围宽、频率稳定度高、编程工作量较少，但其缺点也很明显：频率精度低、分辨率不高、频带窄、只能输出正弦波和方波且成本较高，随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生三角波、锯齿波及任意波形，并且要操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场需求，研究制作高性能的多功能波形发生器十分必要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述现有技术中信号发生器存在的不足，提供一种频率范围宽、频率稳定度较高，可输出正弦波、三角波、方波、锯齿波及任意波形，且成本较低的基于FPGA的多功能信号发生器。

本实用新型要解决的技术问题所采取的技术方案是：基于FPGA的多功能信号发生器，包括单片机控制电路、基于FPGA的DDS电路、D/A转换电路及放大电路、滤波电路、电源模块、键盘、显示屏，所述基于FPGA的DDS电路包括控制逻辑模块、IP核模块及信号生成模块，所述电源模块、键盘、显示屏、基于FPGA的DDS电路分别与单片机控制电路相连，所述基于FPGA的DDS电路与D/A转换电路及放大电路相连，所述滤波电路与D/A转换电路及放大电路相连。

进一步地，所述基于FPGA的DDS电路采用EP4C6E22C8芯片。

进一步地，所述D/A转换电路采用DAC908芯片，所述放大电路采用OPA690芯片。

本实用新型的有益效果：与现有技术相比，1、本实用新型以FPGA芯片为核心，利用单片机进行控制，可以输出任意波形信号，克服了以上现有产品只能能产生正弦波、方波等标准波形的缺点，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高。；2、D/A转换电路的后级采用OPA690芯片构成放大电路，具有频带范围宽、单位增益稳定、高转换速率、高输出电流及低电源电流等特点。

附图说明

图1为本实用新型的连接关系框图，

图2为本实用新型的单片机芯片的电路原理图，

图3为本实用新型的基于FPGA的DDS电路原理图，

图4为本实用新型的D/A转换电路及放大电路的电路原理图，

图5为本实用新型的滤波电路原理图，

图6为本实用新型的矩阵式键盘面板图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面根据附图结合具体实施例来进一步详细描述本实用新型。

在图1中，所述基于FPGA的多功能信号发生器，包括单片机控制电路、基于FPGA的DDS电路、D/A转换电路及放大电路、滤波电路、电源模块、键盘、显示屏，所述基于FPGA的DDS电路包括控制逻辑模块、IP核模块及信号生成模块，所述电源模块、键盘、显示屏、基于FPGA的DDS电路分别与单片机控制电路相连，所述基于FPGA的DDS电路与D/A转换电路及放大电路相连，所述滤波电路与D/A转换电路及放大电路相连。

详细介绍系统主要模块电路：

单片机控制电路：

单片机芯片在整个系统中起到控制协调作用，本实用新型采用STC89C51单片机（如图2所示）。该电路连接4*4矩阵式键盘，通过键盘可以输入各种频率值，同时通过send等功能键可以实现整个系统的复位、频率数据的发送等操作。单片机外围连接了LCD 1602液晶显示屏，可以将当前的频率、波形类型及输入输入频率、预设波形类型显示出来。单片机要根据输入的频率值，计算出相应的频率控制字，计算的公式如下所示：

其中，fo是输出频率，fc为FPGA芯片的时钟信号，频率为160MHz,相位累加器的宽度n取值为40。

基于FPGA的DDS电路：

DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器对控制字进行累加，并以累加器中的结果为地址，通过查表读取数据，再经高速D/A变换器产生所需的模拟信号波形，这个模拟信号经过一个低通滤波器后，得到最终平滑的模拟信号波形，本实用新型选用FPGA芯片EP4C6E22C8作为系统的核心，该芯片的功能分成三模块：控制逻辑模块、IP核模块及信号生成模块。

控制逻辑模块主要实现与单片机的通信，接受单片机传送过来的48位频率控制字，同时为了增强系统的稳定性，在本模块采取了相应措施解决了亚稳态问题。

为了提高系统的设计效率和稳定性，本系统选用Altera 公司定制好的IP核，分别来产生正弦信号、三角波信号以及任意波形信号，方波信号通过FPGA内部的比较器来产生。

信号生产模块是FPGA芯片的顶层模块，在编写代码的过程中，需将以上两个模块例化，同时该模块有两个引脚与单片机相连，由单片机来控制最终输出的数字波形信号。

D/A转换电路及放大电路

如图4所示，为了将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号，本实用新型采用DAC908芯片来实现。该DAC908是一种高速，数字模拟转换器,输入数字量为8位。该芯片具备出色的更新速率，并特别适合于满足多种应用的需求。DAC908具有高阻抗，电流输出能提供20mA的标称范围和高达1.25V的输出标准。差分输出允许两个差分或单端模拟信号的接口。

D/A转换电路的后级采用OPA690芯片构成放大电路，同时将电流信号转换为电压信号输出，如图3所示。OPA690芯片具有频带范围宽、单位增益稳定、高转换速率、高输出电流及低电源电流等特点，可单电源或双电源供电，使用灵活。

滤波电路

图5所示，从放大电路输出的信号波形含有大量的谐波，从而影响了信号的质量。为了进一步提升输出信号的质量，可以采用低通滤波器对该信号进行滤波。本系统采用专用的滤波器设计软件Filter Solution进行滤波器设计，经过比选，确定了一个七阶椭圆低通滤波器。

各部分电路主要连接关系：

1、4*4矩阵式键盘与单片机：矩阵式键盘的4根行线R1、R2、R3、R4连接单片机的P2.7、P2.6、P2.5及P2.4引脚，矩阵式键盘的4根列线L1、L2、L3、L4连接单片机的P2.3、P2.2、P2.1及P2.0引脚。

2、LCD1602的并行数据输入端D0-D7连接单片机P0口的八个引脚，使能信号端E连接单片机的P3.7脚，数据/命令选择端RS连接单片机P2.0引脚。

3、基于FPGA的DDS电路与单片机：单片机的P3.2至P3.6引脚分别连接FPGA芯片EP4C6E22C8的85脚、87脚、84脚、86脚及88脚，单片机的P1口P1.0至P1.7脚分别连接FPGA芯片EP4C6E22C8的65脚、67脚、69脚、71脚、73脚、75脚、77脚、83脚。

4、基于FPGA的DDS电路与D/A转化电路：DAC908的1至8脚连接FPGA芯片EP4C6E22C8的55脚、54脚、53脚、52脚、51脚、50脚、49脚及46脚。

系统工作过程简述：

根据图6所示键盘面板图，按下键盘中的set键，可以设置信号的频率，设置完成后按下send键，单片机将信号频率值发送给FPGA芯片，FPGA芯片内部电路依据DDS原理，在输出端产生相应的波形信号数据送给D/A转换电路，再经放大后送至滤波电路（低通滤波器），最后得到较好的波形信号。另外，通过键盘mode键可以切换的输出的波形种类，且单片机可以将输入的频率信号及波形种类实时显示到LCD1602。

系统测试

本系统采用了泰克示波器、万用表、直流电压源等实验仪器进行了测试和测量，通过对特定频率信号进行测试，并经过数据整理得表1，

表1 实测波形频率数据

注：设定频率为F0,输出频率分别为f1、f2、f3（单位：Hz）。

以上实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照具体实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求保护的范围中。