摘  要： 利用LabView圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺,，設(shè)計一個基于FPGA的DDS（直接數(shù)字頻率合成）信號發(fā)生器,。通過FPGA的下位機和LabView上位機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的情況下,，能夠隨時對系統(tǒng)進行重構(gòu)或拓展開發(fā),。

　　關(guān)鍵詞： LabView,；FPGA,；DDS

　　0 引言

　　信號發(fā)生器是一種常用的信號源,，廣泛應(yīng)用于電子電路,、自動控制和科學實驗等領(lǐng)域[1]，并在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途,。目前,，實驗室的信號發(fā)生器多采用購買的精密儀器，不但價格昂貴,，而且不能發(fā)揮全部功能,，造成資源浪費。本課題基于虛擬儀器開發(fā)平臺LabView設(shè)計了任意波信號發(fā)生器,，利用這種圖形化的編程語言,，用戶只需通過上位機即可實現(xiàn)任意波形載入以及信號發(fā)生器的控制,，擺脫了傳統(tǒng)儀器獨立使用、手動操作的模式[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、波形存儲器,、D/A變換器,、低通濾波器[4]。

　　相位累加器類似于一個簡單的計數(shù)器,，由加法器與累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成,，它將相位寄存器輸出端反饋到加法器輸入端，實現(xiàn)累加功能[4],。每來一個時鐘脈沖,，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)作為波形存儲器的取樣地址,，在ROM中進行波形相位—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。最后,，D/A輸出的臺階信號再經(jīng)過濾波器平滑以得到精確連續(xù)的信號波形,。

　　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)累加器的長度是N位,，通常不可能使用全部的N位作為存儲相位信息來控制ROM產(chǎn)生一整周正弦波的輸出，比如說使用M位（N位中的最高的M位,，M<N,，即相位截斷）。完成一整周的正弦波輸出需要經(jīng)過2π/（K×（2π/2N））個參考時鐘周期,，即2N/K個周期,。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)計方案

　　本設(shè)計利用DDS原理，采用Verilog語言并在QuartusⅡ9.1環(huán)境下實現(xiàn)了對FPGA部分的設(shè)計和編程,，并且在計算機上使用LabView設(shè)計一個用于控制下位機的面板,。

　　2.1 總體設(shè)計框圖

　　總體框圖如圖2所示，LabView的上位機界面主要用于實現(xiàn)波形的選擇,、調(diào)整以及任意波形的繪制,，并且實現(xiàn)對于下位機硬件部分FPGA以及外擴電路的控制?；贔PGA下位機的硬件部分，主要包含了DDS模塊以及外圍電路部分,。在整個系統(tǒng)工作的過程當中,，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,、存儲器模塊以及DA模塊的時鐘信號。

　　2.2 基于LabView上位機信號發(fā)生器設(shè)計

　　LabView是一種圖形化的編程語言和開發(fā)環(huán)境,，它結(jié)合了圖形化編程方式的高性能與靈活性,，開發(fā)周期短，運行速度快[6],。用戶可以隨心所欲地根據(jù)自己的需求,，設(shè)計儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用需求,。因此,，用LabView對任意波信號發(fā)生器的設(shè)計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,，使得整個系統(tǒng)更加緊湊[7],。

　　圖3為一個波形信號發(fā)生器的前面板設(shè)計，該前面板可以同時實現(xiàn)固定波形以及任意波形的調(diào)整功能,。在主程序面板上,，用戶可以通過鼠標和鍵盤控制面板上的開關(guān)和按鈕，從而實現(xiàn)對信號發(fā)生器的控制,。

　　前面板左邊部分為波形顯示模塊,，通過右邊部分對采樣信息和頻率進行調(diào)節(jié)，對波形類型的選擇,，并可對波形幅值,、垂直偏置進行調(diào)整,，最終將波形顯示出來。當用戶需要選擇任意波形時,，只需將布爾開關(guān)選擇到任意波形,，再通過鼠標點擊在波形繪制面板上進行手工繪制即可。當按下鼠標左鍵時,，布爾燈亮,，拖動鼠標，顯示界面會按照使用者繪制的鼠標圖形進行采樣取值,，X軸和Y軸分別顯示波形幅值和采樣的時間,。繪制完成后點擊停止按鈕，跳出循環(huán),，結(jié)束運行程序,。其中CLEAR按鈕的作用是清除信號，此控件只有想要改變信號發(fā)生器的初始相位時方能用到,，在VI程序運行過程中,，如果用戶想要改變發(fā)生器的初始相位，點擊該按鈕,，所畫的波形圖則被清除,。

　　波形信號發(fā)生器程序框圖如圖4、圖5所示,，在while循環(huán)中嵌套一個case結(jié)構(gòu),，當在前面板中布爾開關(guān)選擇固定波形時，case結(jié)構(gòu)為真,，如圖4,；當開關(guān)選擇任意波形時，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)計是一個布爾型輸入條件結(jié)構(gòu),，相當于IF ELSE結(jié)構(gòu),，存在0、1,、2,、3四個分支，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下拉列表來選擇多種不同的波形,。

　　根據(jù)課題設(shè)計所要實現(xiàn)的功能,，任意波信號發(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、某個時間發(fā)生某事件的時候給出一個提示,。事件的檢測和處理一般是連續(xù)進行的,，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程中定義了幾個用戶事件：鼠標移動、鼠標釋放,、鼠標按下,、值改變。下面分別介紹各事件分支的設(shè)計功能：

　　[0]事件分支：鼠標移動,，坐標至XY映射,，采集鼠標拖動時產(chǎn)生的軌跡點，輸入給條件結(jié)構(gòu)中一個數(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：鼠標釋放，鼠標按下,，在局部變量布爾上增添一個布爾開關(guān),，當鼠標按下時，布爾輸入是T真常量,，布爾燈亮,，程序開始采集。當鼠標釋放,，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cancel控件，在前面板中命名為clear,，當按下clear按鈕時,，無輸入，波形輸出不顯示,，實現(xiàn)清除功能,。

3 實驗結(jié)果及結(jié)論

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

　　通過鼠標手工繪制的任意波形如圖7所示,。

　　本設(shè)計在LabView2012版本的平臺下實現(xiàn)一個任意波信號發(fā)生器，具有設(shè)計簡單,、靈活性強的優(yōu)點,，徹底打破了傳統(tǒng)儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式[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,，使成千上萬種傳統(tǒng)儀器都融入計算機體系中[9],。

參考文獻

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