基于FPGA的复杂函数发生器研究

发布时间：2020-04-03 03:41

【摘要】：函数发生器是一种在测试测量中广泛应用的多波形信号源,在各类研发、测试领域有着举足轻重的地位。因此,设计一款精确度高、稳定性好、灵活便捷的函数发生器具有很高的应用价值。目前市面上已有的函数发生器种类很多,功能齐全,但是价格昂贵,且对于伪随机信号等某些特殊需求的激励信号无法实现。针对生物电子杀灭、食品安全检测等项目的实际需求,本文设计了一种基于FPGA的复杂函数发生器,研究了设计方案的可行性,探讨了利用直接数字频率合成原理实现任意波形输出的方法,设计了系统外围硬件电路,分析了2~n系列伪随机信号的特点并实现函数发生器的输出,综合图像处理知识完成了任意手绘波形的还原输出,进行MATLAB与Quartus相结合的仿真验证。本文共分为六章: 第一章分析了频率合成技术的发展趋势,介绍了可编程逻辑器件的发展与应用现状,说明了研制基于FPGA函数发生器的意义,指出了本文的研究背景和主要内容。第二章重点介绍了直接数字频率合成器( Direct Digital Frequency Synthesizer,DDS)的基本结构和实现原理,分析了DDS系统的主要性能,比较了实现频率合成的不同方法,确定了本文的设计方案。第三章主要介绍了系统外围硬件电路的设计,包括FPGA配置电路、数模转换模块、选择性滤波电路和功率放大电路。第四章介绍了FPGA的逻辑控制部分,完成了时钟控制模块设计,设计了流水线相位累加器,最终实现了正弦波、三角波、锯齿波、矩形波、2~n系列伪随机信号、任意手绘波形等各种频率信号的输出。第五章进行了信号仿真验证,详细分析了信号杂散和系统误差,总结了各类误差对系统输出精度的影响。最后结论部分总结了本文的创新和不足。以直接数字频率合成为基本原理,基于FPGA设计的复杂函数信号发生器针对生物电子杀灭和食品安全检测等项目需求,实现2~n系列伪随机信号以及任意手绘波形的输出,完善现有函数发生器的不足,还具有成本低、功耗低、开发周期短、设计灵活等优点,具有很好的实用价值和广阔的应用前景。
【图文】：

框图,内部结构,框图

LTC1821是一款具有16位并行数字接口的电压输出型D/A转换器，具有以下特点[37]：（1）有单极性和双极性两种工作模式，单极性输出电压为-10~0V或0~+10V，，双极性输出电压为-10~+10V；（2）电源电压范围宽，在±5~±15V的电压变化范围内均能正常工作；（3）转换精度高，在整个工业温度范围内，两种工作模式的积分非线性和微分非线性误差均不超过1LSB；（4）具备极强的抗干扰能力，其内部包含的限变器电路能将干扰脉冲减少到小于2nV·s；（5）快速的建立性能，满度输出范围为10V时，输出达到1LSB的时间小于2μs；（6）可异步输人清零，引脚CLR能将输出直接复位到零。LTC1821芯片含有一个片内精密高速放大器，与反馈电阻结合形成一个精密电流电压转换器。这样设计的优点是零点偏移小、噪声低、建立速度快，可满足系统输出精度高、输出响应速度快等性能要求。

工作时序

MAX6043是一款精密的温度范围为-40~+125℃，能提供精确+10V的基准电压，输入电压最高可达校正电路以及激光调理薄膜电阻，可）和极高的初始精度（0.05%最大值），高分辨率A/D或D/A转换器。MAX604F容性负载下仍可保持稳定工作。由于的应用场合节省空间资源，并且与电的高性能系统。运放的反馈电容提供频率补偿，减小以保持运放的稳定；U3提供稳定的参中间点，U4提供REF引脚的驱动。由稳定度，在电源和地之间接去耦电容。VCCU2U1
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP346;TN791

【参考文献】