摘  要： 利用LabView圖形化虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái),，設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的DDS（直接數(shù)字頻率合成）信號(hào)發(fā)生器,。通過(guò)FPGA的下位機(jī)和LabView上位機(jī)的配合使之能夠輸出多種固定波形和任意波形，在不用改變硬件平臺(tái)的情況下,，能夠隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)或拓展開(kāi)發(fā),。

　　關(guān)鍵詞： LabView；FPGA,；DDS

　　0 引言

　　信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于電子電路,、自動(dòng)控制和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域[1],，并在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。目前,，實(shí)驗(yàn)室的信號(hào)發(fā)生器多采用購(gòu)買(mǎi)的精密儀器,，不但價(jià)格昂貴，而且不能發(fā)揮全部功能,，造成資源浪費(fèi),。本課題基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabView設(shè)計(jì)了任意波信號(hào)發(fā)生器,，利用這種圖形化的編程語(yǔ)言，用戶(hù)只需通過(guò)上位機(jī)即可實(shí)現(xiàn)任意波形載入以及信號(hào)發(fā)生器的控制,，擺脫了傳統(tǒng)儀器獨(dú)立使用,、手動(dòng)操作的模式[2]。

1 DDS的基本概念

　　DDS是根據(jù)正弦函數(shù)的產(chǎn)生,，從相位出發(fā),，由不同的相位給出不同的電壓幅度，即相位——正弦幅度變換,，最后濾波,、平滑輸出所需要的頻率[3]。典型的DDS原理方框圖如圖1所示,。它包括如下基本的部件：相位累加器,、波形存儲(chǔ)器、D/A變換器,、低通濾波器[4],。

　　相位累加器類(lèi)似于一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，由加法器與累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成,，它將相位寄存器輸出端反饋到加法器輸入端,，實(shí)現(xiàn)累加功能[4]。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖,，頻率控制字與相位累加器累加,，得到波形相位值，這些數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的取樣地址,，在ROM中進(jìn)行波形相位—幅度的轉(zhuǎn)換,，并輸出數(shù)字化的波形。然后ROM輸出給D/A變換器,，將數(shù)字量化的波形幅度值轉(zhuǎn)換成一定頻率的模擬信號(hào),。最后，D/A輸出的臺(tái)階信號(hào)再經(jīng)過(guò)濾波器平滑以得到精確連續(xù)的信號(hào)波形,。

　　下面建立DDS輸出頻率與其他一些參數(shù)之間的基本關(guān)系[5]：

　　fc——參考時(shí)鐘頻率,，Tc=1/fc；

　　fo——輸出頻率,，To=1/fo,；

　　K——頻率控制字。

　　設(shè)累加器的長(zhǎng)度是N位,，通常不可能使用全部的N位作為存儲(chǔ)相位信息來(lái)控制ROM產(chǎn)生一整周正弦波的輸出,，比如說(shuō)使用M位（N位中的最高的M位，M<N，即相位截?cái)啵?。完成一整周的正弦波輸出需要?jīng)過(guò)2π/（K×（2π/2N））個(gè)參考時(shí)鐘周期,，即2N/K個(gè)周期。因此可以得到輸出頻率的周期為：,。

　　最高的基波合成頻率受奈奎斯特采樣定律的限制（至少每周兩次抽樣才能重構(gòu)波形）,，所以有：，K=2N-1,。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　本設(shè)計(jì)利用DDS原理,，采用Verilog語(yǔ)言并在QuartusⅡ9.1環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對(duì)FPGA部分的設(shè)計(jì)和編程，并且在計(jì)算機(jī)上使用LabView設(shè)計(jì)一個(gè)用于控制下位機(jī)的面板,。

　　2.1 總體設(shè)計(jì)框圖

　　總體框圖如圖2所示,，LabView的上位機(jī)界面主要用于實(shí)現(xiàn)波形的選擇、調(diào)整以及任意波形的繪制,，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)于下位機(jī)硬件部分FPGA以及外擴(kuò)電路的控制,。基于FPGA下位機(jī)的硬件部分,，主要包含了DDS模塊以及外圍電路部分,。在整個(gè)系統(tǒng)工作的過(guò)程當(dāng)中，外部晶振提供了USBFIFO2.0模塊,、NIOS II內(nèi)核模塊,、相位累加器模塊、存儲(chǔ)器模塊以及DA模塊的時(shí)鐘信號(hào),。

　　2.2 基于LabView上位機(jī)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　LabView是一種圖形化的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境,，它結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性，開(kāi)發(fā)周期短,，運(yùn)行速度快[6],。用戶(hù)可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求，設(shè)計(jì)儀器系統(tǒng),，滿(mǎn)足多種多樣的應(yīng)用需求,。因此，用LabView對(duì)任意波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)是一種最理想的方法,，可以在一定硬件基礎(chǔ)上獲得更多的功能,，使得整個(gè)系統(tǒng)更加緊湊[7]。

　　圖3為一個(gè)波形信號(hào)發(fā)生器的前面板設(shè)計(jì),，該前面板可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)固定波形以及任意波形的調(diào)整功能,。在主程序面板上，用戶(hù)可以通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制面板上的開(kāi)關(guān)和按鈕,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)發(fā)生器的控制。

　　前面板左邊部分為波形顯示模塊,，通過(guò)右邊部分對(duì)采樣信息和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié),，對(duì)波形類(lèi)型的選擇,，并可對(duì)波形幅值、垂直偏置進(jìn)行調(diào)整,，最終將波形顯示出來(lái),。當(dāng)用戶(hù)需要選擇任意波形時(shí)，只需將布爾開(kāi)關(guān)選擇到任意波形,，再通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊在波形繪制面板上進(jìn)行手工繪制即可,。當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時(shí)，布爾燈亮,，拖動(dòng)鼠標(biāo),，顯示界面會(huì)按照使用者繪制的鼠標(biāo)圖形進(jìn)行采樣取值，X軸和Y軸分別顯示波形幅值和采樣的時(shí)間,。繪制完成后點(diǎn)擊停止按鈕,，跳出循環(huán)，結(jié)束運(yùn)行程序,。其中CLEAR按鈕的作用是清除信號(hào),，此控件只有想要改變信號(hào)發(fā)生器的初始相位時(shí)方能用到，在VI程序運(yùn)行過(guò)程中,，如果用戶(hù)想要改變發(fā)生器的初始相位,，點(diǎn)擊該按鈕，所畫(huà)的波形圖則被清除,。

　　波形信號(hào)發(fā)生器程序框圖如圖4,、圖5所示，在while循環(huán)中嵌套一個(gè)case結(jié)構(gòu),，當(dāng)在前面板中布爾開(kāi)關(guān)選擇固定波形時(shí),，case結(jié)構(gòu)為真，如圖4,；當(dāng)開(kāi)關(guān)選擇任意波形時(shí),，case結(jié)構(gòu)為假，如圖5,。

　　圖4中,，后面板的固定波形程序設(shè)計(jì)是一個(gè)布爾型輸入條件結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于IF ELSE結(jié)構(gòu),，存在0,、1、2,、3四個(gè)分支,，分別代表三角波、鋸齒波、正弦波,、方波四種波形,。體現(xiàn)在前面板是利用一個(gè)下拉列表來(lái)選擇多種不同的波形。

　　根據(jù)課題設(shè)計(jì)所要實(shí)現(xiàn)的功能,，任意波信號(hào)發(fā)生器采用手繪的方法,，波形繪制功能的程序框圖如圖5所示。

　　手繪任意波形功能的程序采用了事件結(jié)構(gòu)（Event Structure）技術(shù),，所謂事件結(jié)構(gòu)就是在某種情況,、某個(gè)時(shí)間發(fā)生某事件的時(shí)候給出一個(gè)提示。事件的檢測(cè)和處理一般是連續(xù)進(jìn)行的,，因此,，事件結(jié)構(gòu)也應(yīng)該是連續(xù)被調(diào)用的，常見(jiàn)的事件結(jié)構(gòu)是while循環(huán)+事件結(jié)構(gòu),。該手繪任意波形的過(guò)程中定義了幾個(gè)用戶(hù)事件：鼠標(biāo)移動(dòng),、鼠標(biāo)釋放、鼠標(biāo)按下,、值改變,。下面分別介紹各事件分支的設(shè)計(jì)功能：

　　[0]事件分支：鼠標(biāo)移動(dòng)，坐標(biāo)至XY映射,，采集鼠標(biāo)拖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的軌跡點(diǎn),，輸入給條件結(jié)構(gòu)中一個(gè)數(shù)組簇里，該條件結(jié)構(gòu)嵌套在事件結(jié)構(gòu)中,，最后在波形圖上輸出采集到的波形,。

　　[1]、[2]事件分支：鼠標(biāo)釋放,，鼠標(biāo)按下,，在局部變量布爾上增添一個(gè)布爾開(kāi)關(guān)，當(dāng)鼠標(biāo)按下時(shí),，布爾輸入是T真常量,，布爾燈亮，程序開(kāi)始采集,。當(dāng)鼠標(biāo)釋放,，布爾輸入為F假常量，布爾燈滅,，程序采集結(jié)束,。

　　[3]事件分支：“clear”值改變，在事件結(jié)構(gòu)中只加入一個(gè)cancel控件,，在前面板中命名為clear,，當(dāng)按下clear按鈕時(shí),，無(wú)輸入，波形輸出不顯示,，實(shí)現(xiàn)清除功能,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

　　按照表1所設(shè)置的參數(shù)設(shè)置固定波形信號(hào)發(fā)生器,，以正弦波舉例,，得到的波形如圖6所示。

　　通過(guò)鼠標(biāo)手工繪制的任意波形如圖7所示,。

　　本設(shè)計(jì)在LabView2012版本的平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)一個(gè)任意波信號(hào)發(fā)生器,，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義,、用戶(hù)無(wú)法改變的模式[8]。隨著網(wǎng)絡(luò)和虛擬技術(shù)的不斷發(fā)展,，虛擬儀器不僅是21世紀(jì)儀器發(fā)展的方向,，而且必將逐步取代傳統(tǒng)的硬件化電子儀器，使成千上萬(wàn)種傳統(tǒng)儀器都融入計(jì)算機(jī)體系中[9],。

參考文獻(xiàn)

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