基于FPGA的任意波形發生器設計與實現

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；任意波形發生器；USB2．O

0 引言
在腐蝕領域和電鍍行業，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。目前任意波形發生器大多采用直接數字頻率合成(DDS)技術，即將波形的數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據逐個發送給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模集成電路技術的發展，出現了大量能夠產生多種波形且性能穩定的任意波形發生器，但大多數方案都是基于串行或并行總線進行數據的傳輸，這種方案雖然成本較低，但系統的實時性較差，難以滿足復雜波形的大數據量的傳輸要求。我們設計了一種基于FPGA芯片的任意波形發生器，充分利用了FPGA強大的邏輯功能，實現了利用單片FPGA芯片控制整個系統的方案。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。數字波形數據從上位機通過USB總線直接存儲在SRAM數據存儲器中，通過FPGA控制，將波形數據讀出，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。與傳統的發生器在ROM或FLASH存儲波形數據的方法相比，具有更大的靈活性。

1 系統總體結構及工作過程
波形發生器以FPGA為核心，它控制著整個系統的讀、寫、輸出等操作，系統框圖如圖l所示。上位機將數字波形數據通過USB2．O總線送到數據存儲器中，數據存儲器循環地將波形數據發送到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)產生所需波形數據，并通過USB接口下載到波形發生器中，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。