CN206833199U - 基于fpga的多功能信号发生器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了基于FPGA的多功能信号发生器,它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,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,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,基于FPGA的DDS电路与D/A转换电路及放大电路相连,滤波电路与D/A转换电路及放大电路相连。本实用新型输出波形质量好,输出频率范围宽,输出频率稳定度、准确度及分辨率高;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。
Description
技术领域
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。
实用新型内容
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。
Claims (3)
1.基于FPGA的多功能信号发生器,其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的多功能信号发生器,其特征在于:所述基于FPGA的DDS电路采用EP4C6E22C8芯片。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的多功能信号发生器,其特征在于:所述D/A转换电路采用DAC908芯片,所述放大电路采用OPA690芯片。
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