CN101162398A - 一种任意信号发生器 - Google Patents

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宋跃
张志坚
余炽业
胡升平
杜应彪
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的任意信号发生器，包括PC、USB控制器、MCU3、MCU接口模块、晶振、EPC2、时钟控制器、双通道DA输出电路、频率控制器、寄存器矩阵单元、键盘、键盘扫描模块、FLASH、FLASH控制模块、TFT显示器、TFT控制模块、DDS信号产生器、波形合成模块及其它波形产生器；使用时，在软件控制界面上，输入频谱图和相位谱图参数后，软件自动完成频谱信息识别，得到频点的幅度与相位参数；然后将采样值量化编码后得到时域信息表，下载到DDS产生电路的RAM中，实现周期或非周期的时域信号还原输出，且波形幅度在线步进可调；从而达到由频域输入，时域输出的目的。

Description

一种任意信号发生器
技术领域
本发明涉及一种波形发生器，特别是指一种具有频域输入法的任意信号发生器。
背景技术
目前的任意信号发生器，在任意信号的输入方法上都是时域输入法，即是和时间有关的输入法，没有和频率有关的频域输入法，即在给用户提供画板，让用户在画板上画他所需的波形；或给用户提供一些时域函数，再进行函数的运算组合，这两种输入方法都是在时域上进行；当用户只知道某信号的频谱和相谱信息，要产生相应的时域波形，目前的信号发生器是没办法的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有频域输入法的任意信号发生器。
为实现上述目的，本发明的解决方案为：一种基于FPGA的任意信号发生器，包括PC、USB控制器、MCU、MCU接口模块、晶振、EPC2、时钟控制器、双通道DA输出电路，所述的PC分别与USB控制器、MCU、MCU接口模块及EPC2串行配置芯片相连，用于运行控制软件，完成任意波形数据的输入、波形参数调节、显示波形及控制波形的产生；USB控制器是PC与系统的USB通信控制器，控制软件的数据与指令都是通过USB传送到仪器的硬件装置中；MCU为控制中心和总线转换，进行系统控制、数据运算、数据传送和总线转换功能；MCU接口模块是FPGA与单片机的接口、总线扩展模块，完成总线扩展、地址译码功能，主要输出8位数据信号、24位地址信号、256个片选信号、读/写控制信号；晶振的输出端与时钟控制器相连，用于输出一个精确的时钟信号，作为时钟控制器的基准信号；EPC2为串行配置芯片，用于FPGA上电转载文件；时钟控制器是系统的时钟发生模块，它完成系统的时钟分频、倍频功能，输出一系列系统所需的时钟；双通道DA输出电路，由数模转换器、运算放大器组成，完成波形数据的DA转换、放大、滤波输出；其特征在于，其还包括：频率控制器、寄存器矩阵单元、键盘、键盘扫描模块、FLASH、FLASH控制模块、TFT显示器、TFT控制模块、DDS信号产生器、波形合成模块；频率控制器与时钟控制器、寄存器矩阵单元、DDS信号产生器相连，完成调频、扫频、频率控制功能，输出DDS信号产生单元所需的频率控制字；寄存器矩阵单元是整个FPGA系统的内部状态字、控制字的锁存模块，它完成系统的状态字的写操作和寄存功能，单片机对FPGA的控制及对整个系统的控制都是通过对寄存器矩阵单元的读写来完成，FPGA内部的其它模块都是通过数据总线连接到寄存器矩阵单元；键盘是智能工作方式时用户的操作区，采用行列式键盘，在FPGA内建的键盘扫描模块的控制下完成按键的识别与编码；键盘扫描模块内建键盘扫描电路，自动地实现键盘扫描的功能，当有按键按下时，自动地产生中断信号向单批片机请求中断以进行键盘处理；FLASH是系统的波形存储器，存储一些常规波形及存储用户操作时新产生的任意波形数据；FLASH控制模块根据波形选择自动地从FLASH读入4K波形到内部RAM中；TFT显示器是智能工作方式时人机交互的操作窗口，显示当前用户的操作项目并提示下一步用户应该操作的内容；TFT控制模块，是TFT液晶显示屏的控制器，完成TFT显示数据的传送和控制；DDS信号产生器是信号发生器的核心模块，根据DDS原理完成DDS信号的产生功能；波形合成模块完成波形的选择与合成的功能。
所述的MCU是采用8位单片机作为系统的控制中心。
所述的晶振为40MHz的TCXO晶振。
所述的频率控制器是DDS信号发生器的频率控制模块，由频率字选择模块、调频模块、扫频模块组成。
所述的键盘为5*5键盘，键盘扫描模块内建5*5键盘扫描电路。
所述的FLASH为NOR FLASH。
所述的基于FPGA的任意波形发生器，其还包括其它波形产生器，是产生其它非周期性波和数码流的模块，主要完成非周期信号的合成功能，包括模拟调幅、随机信号、数码流、ASK、FSK。
所述的DDS信号产生器主要包括A通道DDS产生器和B通道DDS产生器。
所述的基于FPGA的任意波形发生器，其内部由32位的DDS累加器和波形存储器RAM组成，根据DDS原理，累加器在累加时钟的控制下对输出的频率控制字K进行累加，并将累加的结果作为波形存储器RAM的地址送入RAM中，读出RAM中相应地址的值，即为波形输出值，内部的波形存储器RAM为双口RAM，即既可在读信号、读地址的配合下进行RAM的读操作进行DDS输出，也可在写信号、写地址和数据输入信号的配合下进行写操作更换波形数据；在进行波形切换时，由单片机控制FPGA启动FLASH读写单元，以10MHz的速度从外部的FLASH存储器中，读取4096个波形数据到DDS单元中的双口RAM中；在进行任意波形操作时，是先将从计算机采集到的波形数据量化、编码后通过串口下载到FLASH存储器中，然后再启动FLASH读写单元，从FLASH中读取任意波形数据到DDS单元中的双口RAM中。
采用上述方案后，即在软件控制界面上，用户可输(导)入信号频谱图和相位谱图(这些图可以是矢量分析仪导出的图，也可是用户其它方式得到的图，也可是用户任意绘制的周期和非周期的图)，在用户输入分辨率等参数后，软件自动完成频谱图和相位谱图的频谱信息识别，得到一系列频点的幅度与相位参数；或是用户直接输入信号各频点的幅度与相位参数，然后进行付利叶反变换，生成对应的时域信号表达式，然后进行周期采样，将这些采样值量化编码后得到时域信息表，下载到FPGA中DDS产生电路的RAM中，在DDS产生电路中，实现周期或非周期的时域信号还原输出，且波形幅度在线步进可调；从而达到由频域输入，时域输出的目标。
附图说明
图1为本系统结构设计框图；
图2为FPGA内部模块设计框图。
具体实施方式
结合图1、2所示，本发明公开了一种基于FPGA的任意信号发生器，包括PC 1、USB控制器2、MCU 3、MCU接口模块4、晶振5、EPC26、时钟控制器7、双通道DA输出电路8、频率控制器9、寄存器矩阵单元10、键盘11、键盘扫描模块12、FLASH 13、FLASH控制模块14、TFT显示器15、TFT控制模块16、DDS信号产生器17、波形合成模块18及其它波形产生器19；其中：
所述的PC 1分别与USB控制器2、MCU 3、MCU接口模块4及EPC26串行配置芯片相连，用于运行控制软件，完成任意波形数据的输入、波形参数调节、显示波形及控制波形的产生；
USB控制器2是PC 1与系统的USB通信控制器，控制软件的数据与指令都是通过USB传送到仪器的硬件装置中；
MCU 3采用8位单片机作为系统的控制中心和总线转换，进行系统控制、数据运算、数据传送和总线转换功能；
MCU接口模块4是FPGA与单片机的接口、总线扩展模块，完成总线扩展、地址译码功能，主要输出8位数据信号、24位地址信号、256个片选信号、读/写控制信号；
晶振53为40MHz的TCXO晶振，其输出端与时钟控制器7相连，用于输出一个精确的时钟信号，作为时钟控制器的基准信号；
EPC26为串行配置芯片，用于FPGA上电转载文件；
时钟控制器7是系统的时钟发生模块，它完成系统的时钟分频、倍频功能，输出一系列系统所需的时钟；
双通道DA输出电路8，由数模转换器、运算放大器组成，完成波形数据的DA转换、放大、滤波输出；
频率控制器9是DDS信号发生器17的频率控制模块，由频率字选择模块、调频模块、扫频模块组成，主要与时钟控制器7、寄存器矩阵单元10、DDS信号产生器17相连，完成调频、扫频、频率控制功能，输出DDS信号产生单元所需的频率控制字；
寄存器矩阵单元10是整个FPGA系统的内部状态字、控制字的锁存模块，它完成系统的状态字的写操作和寄存功能，单片机对FPGA的控制及对整个系统的控制都是通过对寄存器矩阵单元的读写来完成，FPGA内部的其它模块都是通过数据总线连接到寄存器矩阵单元；
键盘11是智能工作方式时用户的操作区，采用5*5的触摸式行列矩阵键盘，在FPGA内建的键盘扫描模块的控制下完成按键的识别与编码；
键盘扫描模块11内建键盘扫描电路，自动地实现键盘扫描的功能，当有按键按下时，自动地产生中断信号向单片机请求中断以进行键盘处理；
FLASH 13是系统的波形存储器，采用NOR FLASH存储一些常规波形及存储用户操作时新产生的任意波形数据；本系统采用的FLASH容量为2M字节，分为32页，即除了存储常规的6种波形外，还能储存26个任意波形。
FLASH控制模块14根据波形选择自动地从FLASH读入4K波形到内部RAM中；他的读写有点特殊，读的时候与普通的RAM一样没什么区别，但写操作时有点不同，他要先擦除，并还要输入命令才能进行正常的读写，所以为了使MCU对NOR FLASH的操作简化，就在FPGA内设计了flash读写控制模块，他一方面给MCU提供RAM一样操作接口，另一方面在系统进行波形切换时，能自动地从外部FLASH波形存储器中读取4096个波形数据到DDS单元中，进行波形数据的改写。
TFT显示器15采用230*240的液晶显示屏，是智能工作方式时人机交互的操作窗口，显示当前用户的操作项目并提示下一步用户应该操作的内容；
TFT控制模块16，是TFT液晶显示屏的控制器，完成TFT显示数据的传送和控制；
DDS信号产生器17是信号发生器的核心模块，主要包括A通道DDS产生器和B通道DDS产生器；根据DDS原理完成DDS信号的产生功能；内部由32位的DDS累加器和波形存储器RAM组成，根据DDS原理，累加器在累加时钟的控制下对输出的频率控制字K进行累加，并将累加的结果作为波形存储器RAM的地址送入RAM中，读出RAM中相应地址的值，即为波形输出值，内部的波形存储器RAM为双口RAM，即既可在读信号、读地址的配合下进行RAM的读操作进行DDS输出，也可在写信号、写地址和数据输入信号的配合下进行写操作更换波形数据；在进行波形切换时，由单片机控制FPGA启动FLASH读写单元，以10MHz的速度从外部的FLASH存储器中，读取4096个波形数据到DDS单元中的双口RAM中；在进行任意波形操作时，是先将从计算机采集到的波形数据量化、编码后通过串口下载到FLASH存储器中，然后再启动FLASH读写单元，从FLASH中读取任意波形数据到DDS单元中的双口RAM中；
波形合成模块18完成波形的选择与合成的功能；
其它波形产生器19，是产生其它非周期性波和数码流的模块，主要完成非周期信号的合成功能，包括模拟调幅、随机信号、数码流、ASK、FSK。
使用时，即在软件控制界面上，用户可输(导)入信号频谱图和相位谱图(这些图可以是矢量分析仪导出的图，也可是用户其它方式得到的图，也可是用户任意绘制的周期和非周期的图)，在用户输入分辨率等参数后，软件自动完成频谱图和相位谱图的频谱信息识别，得到一系列频点的幅度与相位参数；或是用户直接输入信号各频点的幅度与相位参数，然后进行付利叶反变换，生成对应的时域信号表达式，然后进行周期采样，将这些采样值量化编码后得到时域信息表，下载到FPGA中DDS产生电路的RAM中，在DDS产生电路中，实现周期或非周期的时域信号还原输出，且波形幅度在线步进可调；从而达到由频域输入，时域输出的目标。

Claims (9)

1.一种基于FPGA的任意信号发生器，包括PC、USB控制器、MCU、MCU接口模块、晶振、EPC2、时钟控制器、双通道DA输出电路，所述的PC分别与USB控制器、MCU、MCU接口模块及EPC2串行配置芯片相连，用于运行控制软件，完成任意波形数据的输入、波形参数调节、显示波形及控制波形的产生；USB控制器是PC与系统的USB通信控制器，控制软件的数据与指令都是通过USB传送到仪器的硬件装置中；MCU为控制中心和总线转换，进行系统控制、数据运算、数据传送和总线转换功能；MCU接口模块是FPGA与单片机的接口、总线扩展模块，完成总线扩展、地址译码功能，主要输出8位数据信号、24位地址信号、256个片选信号、读/写控制信号；晶振的输出端与时钟控制器相连，用于输出一个精确的时钟信号，作为时钟控制器的基准信号；EPC2为串行配置芯片，用于FPGA上电转载文件；时钟控制器是系统的时钟发生模块，它完成系统的时钟分频、倍频功能，输出一系列系统所需的时钟；双通道DA输出电路，由数模转换器、运算放大器组成，完成波形数据的DA转换、放大、滤波输出；其特征在于，其还包括：频率控制器、寄存器矩阵单元、键盘、键盘扫描模块、FLASH、FLASH控制模块、TFT显示器、TFT控制模块、DDS信号产生器、波形合成模块；频率控制器与时钟控制器、寄存器矩阵单元、DDS信号产生器相连，完成调频、扫频、频率控制功能，输出DDS信号产生单元所需的频率控制字；寄存器矩阵单元是整个FPGA系统的内部状态字、控制字的锁存模块，它完成系统的状态字的写操作和寄存功能，单片机对FPGA的控制及对整个系统的控制都是通过对寄存器矩阵单元的读写来完成，FPGA内部的其它模块都是通过数据总线连接到寄存器矩阵单元；键盘是智能工作方式时用户的操作区，采用行列式键盘，在FPGA内建的键盘扫描模块的控制下完成按键的识别与编码；键盘扫描模块内建键盘扫描电路，自动地实现键盘扫描的功能，当有按键按下时，自动地产生中断信号向单片机请求中断以进行键盘处理；FLASH是系统的波形存储器，存储一些常规波形及存储用户操作时新产生的任意波形数据；FLASH控制模块根据波形选择自动地从FLASH读入4K波形到内部RAM中；TFT显示器是智能工作方式时人机交互的操作窗口，显示当前用户的操作项目并提示下一步用户应该操作的内容；TFT控制模块，是TFT液晶显示屏的控制器，完成TFT显示数据的传送和控制；DDS信号产生器是信号发生器的核心模块，根据DDS原理完成DDS信号的产生功能；波形合成模块完成波形的选择与合成的功能。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：所述的MCU是采用8位单片机作为系统的控制中心。
3.如权利要求1或2所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：所述的晶振为40MHz的TCXO晶振。
4.如权利要求3所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：所述的频率控制器是DDS信号发生器的频率控制模块，由频率字选择模块、调频模块、扫频模块组成。
5.如权利要求4所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：所述的键盘为5*5键盘，键盘扫描模块内建5*5键盘扫描电路。
6.如权利要求5所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：所述的FLASH为NOR FLASH。
7.如权利要求6所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：其还包括其它波形产生器，是产生其它非周期性波和数码流的模块，主要完成非周期信号的合成功能，包括模拟调幅、随机信号、数码流、ASK、FSK。
8.如权利要求7所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：所述的DDS信号产生器主要包括A通道DDS产生器和B通道DDS产生器。
9.如权利要求8所述的基于FPGA的任意波形发生器，其特征在于：内部由32位的DDS累加器和波形存储器RAM组成，根据DDS原理，累加器在累加时钟的控制下对输出的频率控制字K进行累加，并将累加的结果作为波形存储器RAM的地址送入RAM中，读出RAM中相应地址的值，即为波形输出值，内部的波形存储器RAM为双口RAM，即既可在读信号、读地址的配合下进行RAM的读操作进行DDS输出，也可在写信号、写地址和数据输入信号的配合下进行写操作更换波形数据；在进行波形切换时，由单片机控制FPGA启动FLASH读写单元，以10MHz的速度从外部的FLASH存储器中，读取4096个波形数据到DDS单元中的双口RAM中；在进行任意波形操作时，是先将从计算机采集到的波形数据量化、编码后通过串口下载到FLASH存储器中，然后再启动FLASH读写单元，从FLASH中读取任意波形数据到DDS单元中的双口RAM中。
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