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(xué)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。基于FPGA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(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(biāo)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(dāng)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(biāo)點擊在波形繪制面板上進行手工繪制即可。當(dāng)按下鼠標(biāo)左鍵時，布爾燈亮，拖動鼠標(biāo)，顯示界面會按照使用者繪制的鼠標(biāo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(biāo)移動、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)計功能：

　　[0]事件分支：鼠標(biāo)移動，坐標(biāo)至XY映射，采集鼠標(biāo)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(biāo)釋放，鼠標(biāo)按下，在局部變量布爾上增添一個布爾開關(guān)，當(dāng)鼠標(biāo)按下時，布爾輸入是T真常量，布爾燈亮，程序開始采集。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cancel控件，在前面板中命名為clear，當(dāng)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(biāo)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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　　[3] 白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.

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