基于FPGA的信号发生器设计

刘英楠，衣淑娟，宫龙江

（1.黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆 163319；2.东北石油大学党委宣传部）

如今，现代电子技术迅猛发展，电子测量工作对信号发生器的正弦信号源、脉冲信号源、函数信号源以及高频信号源等性能方面有了更严格，更具体的要求。传统的信号发生器具有成本高，操作不灵活等缺点已经远远满足不了现代电子测量的需要退出了历史舞台。那么，研究一款适应现代电子技术的不断发展和市场需求的高性能信号发生器迫在眉睫。基于FPGA 的DDS 信号发生器由于具有超高的频率稳定度和高精度，发展迅猛，甚至达到了质的飞跃。目前，国内在信号发生器的研制方面取得了可喜的成果，但是与国外相比还是存在一定的差距，现研究的基于FPGA 的信号发生器设计为进一步改进信号发生器的设计提供一些参考。

1 系统硬件设计

该数字信号发生器系统主要由输入部分、FPGA部分、D/A 转换部分、频率、幅值调节和波形转换部分组成。

图1 数字信号发生器系统组成Fig.1 Component of digital signal generator system

1.1 系统时钟电路

图2 所示的是FPGA 运行时所需的时钟电路图，采用50 MHZ 的有源晶振产生。C5 为高频旁路电容，CLK1 为输入时钟信号源。

图2 系统时钟电路Fig.2 Clock circuit of system

1.2 电源电路的设计

电源是系统稳定的决定性因素，如图3 所示，该电源采用的是USB 供电模式，VEE+5V 和3.3V 的VCC 是两个输出部分，分别给D/A 供电和整个系统供电。

1.3 FPGA 部分

FPGA 芯片的内部结构图如图4 所示，从图中可以看出典型逻辑门为50 000 门，最大可用系统门数为116 000 门，逻辑阵列模块360 个，嵌入式阵列模块10 个，RAM 总容量为20 480 字节，用户可用的I/O 引脚最多为310 个。

图3 电源电路Fig.3 Supply of power circuit

图4 EPF10K50ETI144-2 芯片结构图Fig.4 Structure diagram of EPF10K50ETI144-2 chip

1.4 D/A 转换部分

选择D/A 转换芯片的最主要因素是考虑字长和转换速度。采用的D/A 转换芯片具有数字量的输入锁存功能，输出的波形可以用示波器观察。如图5 所示。

图5 D/A 转换电路的原理图Fig.5 Schematic diagram of D/A conversion circuit

1.5 滤波电路

如图6 滤波电路所示，由于在电路运行期间，会受到外部信号的干扰，为了防止这种外部的干扰，在D/A 转化部分中增加了一个滤波电路，目的出了消除干扰信号以外，还可以通过D/A 转化，转变成平滑的正弦波、方波、三角波、锯齿波。

2 软件系统流程图

系统软件设计流程图如图7 所示：

图6 滤波电路Fig.6 Circuit of filter

图7 系统流程图Fig.7 Flow chart of system

3 系统测试结果

根据本系统的设计方案，制作电路并对系统进行测试。通过示波器进行测试系统输出波形的结果如图8 所示。

4 结论

系统实现了基于FPGA 的信号发生器的设计，通过实验样机的测试，其步进值可以设置成三个档位10 Hz、100 Hz、1 000 Hz，产生了范围在1 Hz～1 MHz 之间的正弦波、方波、三角波以及锯齿波等波形。测试证明，该系统除了可以产生上面说的四个波形以外，还可以产生其他波形，同时，该系统带负载的能力较强，通用性和实用性较好。

图8 系统测试输出波形Fig.8 Output waveform of system test

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