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DDS的简单波形发生器方案设计比较研究

发表时间：2021/4/12 来源：《文化研究》2021年4月下作者：刘执文1 郑宇航2 刘俊2 程龙2

[导读] 本次课程设计利用FPGA,基于DDS的简单波形发生器，随着当今电子技术的飞速发展，在测试领域以及其他众多领域对所需激励源的需求越来越高，但是高端的波形发生器在市面上都比较昂贵，因此一种低成本，高性能的波形发生器就必然引起大家的关注。

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摘要：本次课程设计利用FPGA,基于DDS的简单波形发生器，随着当今电子技术的飞速发展，在测试领域以及其他众多领域对所需激励源的需求越来越高，但是高端的波形发生器在市面上都比较昂贵，因此一种低成本，高性能的波形发生器就必然引起大家的关注。直接数字频率合成技术（DDS）是一种全数字的，先进的频率合成技术，采用DDS技术合成的波形发生器具有输出频率带宽宽，频率分辨率高，频率切换时间极短，输出相位连续以及可以产生任意波形等一系列优点。随着现场可编程门阵列（FPGA）性能的提高以及成本的降低，逐渐的出现了许多利用FPGA来完成的波形发生器。本次制作可以产生三角波，正弦波，锯齿波，方波。设计中，波形的生成过程在FPGA的内部完成，利用累加器，使得设计更加简单，占用逻辑资源较少。与采用其他方案所设计的波形发生器相比，它不仅产生的波形种类更丰富，而且成本更低，功能更灵活，此外，FPGA支持在线可编程，这使得系统的可移植性和可拓展性能更好。
关键字：简单波形发生器；直接数字频率合成（DDS）；现场可编程门阵列（FPGA）
        引言：
        目前国内电子技术发展迅速，对于芯片的需求更大，对于特殊波形的要求越来越高。仅靠手工进行电子系统的设计已经无法满足要求，迫切需要更高级，更快速和更高效的电子设计自动化（EDA）。本次设计是基于FPGA+DDS共同完成的波形发生器，设计中所需软件为QuartusⅡ，可以满足所需环境的编程。Modelsim可以满足仿真环境。而本次设计可以满足绝大多数环境。波形发生器是一种常用的信号源，广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领域。
        一、总体方案设计
        通过自己的所学知识以及广泛的查阅资料，我做出如下几个方案，通过方案之间的相互比较，找到本次设计的最佳方案。下面我将从每个方案所需芯片，大致实现过程以及优点与缺点来凸显本次设计-基于FPGA+DDS的简单波形发生器。
        二、方案
        （一）方案一
        利用555芯片构成的简单波形发生器，可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波可以通过模电中的方波发生电路来产生，也可以通过数电中的555多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现，也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。
        （二）方案二
        应用集成运放LM324的电压比较器原理，其芯片的内部结构是由4个集成运放所组成的,通过RC电桥可产生正弦波，通过滞回比较器能调出方波,并再次通过积分电路就可以调试出三角波。
        （三）方案三
        利用ICL8038芯片构成集成函数发生器，产生波形。

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        （四）方案四
        基于FPGA，利用现场可编程门阵列，基于DDS技术的任意波形发生器用高速存储器作为查找表，通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形，而且还可以利用各种编辑手段，产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形。
        三、方案论证
        方案一：利用555的多谐振荡器功能，虽然产生的频率容易计算与调节并且成本低，但是其波形精度不高，电路结构简单，很难达到保障。
        方案二：能实现基本要求和扩展总分的功能，电路较简单，调试方便，成本低廉，但是其产生的波形上升沿于下降沿不光滑，波形不标准，使用起来不便。
        方案三，TCL8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uc的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成逆变为正弦波输出。
        方案四：现场可编程门阵列，其功能强大，可编程能力强，可以产生的波形种类多且复杂，所产生波形精度高，但是其结构复杂，成本较高，可学性很强。
        四、方案的确立
        对以上方案进行比较选择，都各有自己的优势，但是结合目前疫情期，前面三种方案对于电路的仿真要求都不是很高，电路较为简单，用proteus即可完成产生波形的功能，如果要在家进行实物的调试比较困难，且这些方案所产生的波形不够精准，难以满足现状；相反，方案四，如果需要实施，一块开发板即可，其可以产生高精度的波形，综上各方案的优缺点，我最终选择方案四作为本次设计的方案。
        结束语：
        本次设计的系统，主要以仿真的形式呈现，在仿真的初期对软件极度的不熟悉，并且该仿真软件功能强大。在不断查阅文献以及老师的细心指导下，逐步完成了系统的部分功能，可以直接输出五路波形，五路波形可以相互不同，输出波形光滑，精度高，可以达到实验需求。此次基于FPGA的简单波形发生器，让我认识到FPGA功能的强大，其对于电子技术的发展是革命性的，所以它很有必要去学习。
参考文献
[1]电子技术基础.数字部分/康华光主编；华中科技大学电子技术课程组编.-5版-北京高等教育出版社，2006.
[2]黄晓翰.基于FPGA的多功能波形发生器的设计.电信科学.2010年09期
[3]王文华.基于DDS技术的任意波形发生器研究.浙江大学,2002.
[4]杨欣,莱·诺克斯,王玉凤等编著.电子设计从零开始[M].清华大学出版社,2010.
[5]王彦，方艾，张清明基于FPGA的数字波形发生器[J]机械与电子，2004，(6)：14-17
[6]高倩基于DDS的高性能信号源的设计四江苏技术师范学院学报，2005，11(6):48-53.
作者简介
刘执文（2000-），男，汉，四川自贡，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化
郑宇航（2000-），男，汉，重庆市，本科，研究方向：电气工程及其自动化
刘俊（1999-），男，汉，四川南充，本科，研究方向：电气工程及其自动化
程龙（1999-），男，汉，四川达州，本科，研究方向：电气工程及其自动化