基于FPGA的任意波形發(fā)生器設計與實現(xiàn)

摘要：本文提出了一種基于可編程邏輯器件(FPGA)芯片EP2C20F484的任意波形發(fā)生器的設計方法。完成了在FPGA的控制下，USB接口控制模塊、SRAM控制模塊、DA轉換模塊等協(xié)同工作的硬件設計、固件設計以及軟件設計，并給出了實驗結果。實驗結果表明，此任意波形發(fā)生器能夠按照要求輸出相應波形，達到了設計要求。
關鍵詞：EP2C20F484；AD9726；任意波形發(fā)生器；USB2．O

0 引言
在腐蝕領域和電鍍行業(yè)，常常需要使用任意波形的電流電壓信號進行生產和測試。任意波形是指頻率可變、幅值可變、相位可變的正弦波形和其他波形，如三角波形、鋸齒波、特殊波形等。目前任意波形發(fā)生器大多采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術，即將波形的數(shù)字量信號存儲于存儲器中，嵌入式主機以一定的速率依次將存儲器單元中的波形數(shù)據(jù)逐個發(fā)送給D／A轉換器，合成為需要的波形。
隨著微處理器日益廣泛的應用和大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，出現(xiàn)了大量能夠產生多種波形且性能穩(wěn)定的任意波形發(fā)生器，但大多數(shù)方案都是基于串行或并行總線進行數(shù)據(jù)的傳輸，這種方案雖然成本較低，但系統(tǒng)的實時性較差，難以滿足復雜波形的大數(shù)據(jù)量的傳輸要求。我們設計了一種基于FPGA芯片的任意波形發(fā)生器，充分利用了FPGA強大的邏輯功能，實現(xiàn)了利用單片F(xiàn)PGA芯片控制整個系統(tǒng)的方案。同時選擇USB2．0接口芯片CY7C68013，它能較好地與FPGA芯片合作，完成系統(tǒng)預先設計的功能，使總體電路簡單，成本低廉，產生的波形信號精度較高。數(shù)字波形數(shù)據(jù)從上位機通過USB總線直接存儲在SRAM數(shù)據(jù)存儲器中，通過FPGA控制，將波形數(shù)據(jù)讀出，送入后向通道進行D／A轉換和放大處理后得到所需的模擬信號波形。與傳統(tǒng)的發(fā)生器在ROM或FLASH存儲波形數(shù)據(jù)的方法相比，具有更大的靈活性。

1 系統(tǒng)總體結構及工作過程
波形發(fā)生器以FPGA為核心，它控制著整個系統(tǒng)的讀、寫、輸出等操作，系統(tǒng)框圖如圖l所示。上位機將數(shù)字波形數(shù)據(jù)通過USB2．O總線送到數(shù)據(jù)存儲器中，數(shù)據(jù)存儲器循環(huán)地將波形數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC電路，由DDS電路產生相應的DAC刷新時鐘(0～1MHz，步進0．02Hz)，DAC輸出波形經緩沖放大、低通濾波、放大輸出。輸出的波形頻率為0．1Hz(DC)～1MHz(-3dB)，頻率分辨率為0．01Hz。

本系統(tǒng)主要由五部分組成：
(1)上位機。主要功能是利用仿真軟件(如CVI、MATLAB、VB等)產生所需波形數(shù)據(jù)，并通過USB接口下載到波形發(fā)生器中，其次就是存儲USB2．0接口芯片的驅動程序。
(2)USB2．0接口控制器芯片。本設計使用的是Cvpress Semiconductor公司的EZ-USB FX2系列芯片CY7C68013AE。