基于FPGA的任意波信号发生系统的软件设计与实现

发布时间：2017-08-31 15:32

  本文关键词：基于FPGA的任意波信号发生系统的软件设计与实现

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【摘要】：随着时代的不断发展,任意波形信号发生器在电子测量、通信、工业、农业、生物医学等领域中的运用越来越广泛,而伴随着大规模虚拟仪器技术的不断推广,任意波形发生器正朝着虚拟化、小型化、智能化、测试功能完整化的方向发展。本文在FPGA中采用PCI-e总线技术、直接频率合成技术(DDS)设计实现了基于FPGA的任意波信号发生系统。该系统基于PCI-e总线实现仪器的虚拟化,使用DDS技术实现任意波形的产生,在传统任意波形发生器的基础上提出了新的幅度偏置调节的方法并对波形输出的杂散进行了分析,并且提出使用相同大小的波形存储空间实现不同的波形存储的方法,提高了正弦波输出的杂散性能。整个系统实现了7种非调制波形(包括任意波形)和5种调制波形的输出,系统具有虚拟化、小型化、智能化、测试功能完整化的特点。主要的研究内容如下:首先对任意波形信号发生系统常用的关键技术进行分析和选择,确定使用DDS技术实现波形发生,使用PCI-e总线技术实现上下位机通信从而实现系统的仪器虚拟化。然后进一步分析了DDS技术的优缺点。根据系统功能要求确定本系统的总体方案设计,包括采用哪种方案实现PCI-e总线的通信和DDS技术。接着对系统所设计的波形发生逻辑进行了详细描述,包括各种波形的实现原理和结构设计。阐明如何实现波形频率、相位、幅度、偏置的控制,对调制波AM如何实现调幅指数的控制,对FM如何实现最大频偏的设置,对2FSK/2PSK如何实现调制波和载波的控制,对SWEEP如何实现扫描时间的控制等。在幅度控制中提出了新的幅度调节方法,在波形存储中提出了针对相同大小的波形存储空间实现不同的波形存储方法。然后对DDS所固有的杂散进行了分析,确定DDS杂散来源并对杂散进行了MATLAB仿真,从仿真结果得出一般的消除杂散的方法,并提出本系统所采用的消除杂散的方法。最后对波形发生逻辑部分出现的波形毛刺现象进行了原因分析并提出了解决方法。然后对本系统所设计的PCI-e通信接口逻辑进行了详细的描述,包括本系统所使用的PCI-e专用核的定制和用户逻辑的设计。详细描述了用户逻辑中发送引擎、接收引擎、DMA控制器、读请求单元和数据缓存五个单元的设计结构和主要功能。接着对本系统所设计的PCI-e通信接口逻辑进行了测试,确定了数据传输的正确性和该系统所达到的PCI-e数据传输速率。最后对PCI-e事务层TLP包传输中常遇到的TLP序进行了分析并提出解决方案。最后针对整个系统搭建系统测试平台,对系统输出的波形种类、波形幅度、频率、调制波以及系统的稳定性进行了测试。经过测试表明整个系统工作稳定,具有工程实用价值。
【关键词】：任意波信号发生器 FPGA PCI-e DDS
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM935;TN47
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-15
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 论文研究内容和组织结构13-14
• 1.4 技术难点和关键问题14-15
• 第2章 任意波形发生系统技术方案及其理论基础15-26
• 2.1 频率合成技术15-17
• 2.1.1 直接频率合成技术（DDS）15-16
• 2.1.2 直接频率合成技术（DDS）的优缺点16-17
• 2.2 PCI-e总线技术17-20
• 2.2.1 PCI-e总线的拓扑结构17-18
• 2.2.2 PCI-e总线的三层框架18-19
• 2.2.3 PCI-e总线的事务机制19
• 2.2.4 PCI-e总线的配置空间19-20
• 2.3 系统总体方案20-25
• 2.3.1 PCI-e通信模块22-24
• 2.3.2 波形发生模块24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 波形发生逻辑设计26-56
• 3.1 系统逻辑26-28
• 3.2 命令解析28-30
• 3.3 任意波形的逻辑设计与实现30-42
• 3.3.1 正弦波、三角波、斜波、方波、噪声、直流、任意波30-36
• 3.3.2 AM36-38
• 3.3.3 FM38-40
• 3.3.4 2FSK/2PSK40-41
• 3.3.5 SWEEP41-42
• 3.4 DDS杂散分析42-50
• 3.4.1 理想DDS频谱42-43
• 3.4.2 相位截断引起的杂散分析43-47
• 3.4.3 幅度量化引起的杂散分析47
• 3.4.4 DAC非线性引起的杂散分析47-48
• 3.4.5 系统杂散仿真48
• 3.4.6 改善杂散的方法48-50
• 3.5 波形毛刺分析及解决方案50-53
• 3.5.1 毛刺产生原因50-51
• 3.5.2 消除毛刺的解决方法51-53
• 3.6 本章小结53-56
• 第4章 PCI-e通信接.逻辑设计56-67
• 4.1 PCI-e核定制56-58
• 4.1.1 PCI-e核简介56-57
• 4.1.2 PCI-e核设置57-58
• 4.2 PCI-e逻辑设计58-65
• 4.2.1 发送引擎59-60
• 4.2.2 接收引擎60-61
• 4.2.3 DMA控制器61-63
• 4.2.4 读请求单元63
• 4.2.5 数据缓存63-65
• 4.3 PCI-e逻辑分析65-66
• 4.3.1 时序分析65-66
• 4.3.2 TLP序66
• 4.4 本章小结66-67
• 第5章 系统测试及分析67-76
• 5.1 波形种类测试68-70
• 5.2 波形频率测试70-71
• 5.3 波形幅值测试71
• 5.4 调制信号测试71-75
• 5.4.1 AM信号测试72
• 5.4.2 FM信号测试72-73
• 5.4.3 2FSK信号测试73-74
• 5.4.4 2PSK信号测试74-75
• 5.5 系统稳定性测试75
• 5.6 本章小结75-76
• 结论76-78
• 参考文献78-81
• 攻读硕士学位期间所取得的研究成果81-83
• 致谢83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 朱伟杰;陆探;朱万经;;FPGA的双缓冲模式PCI Express总线设计[J];单片机与嵌入式系统应用;2011年11期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 侯冰;FPGA实现的PCI-E高速数据采集系统[D];西安电子科技大学;2012年

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本文编号：766424