波形发生器是一种电子设备，它能够生成不同形状的电信号波形。在电子技术中，波形发生器广泛应用于测试设备、信号处理等领域。基于FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）与单片机的波形发生器设计在现代电子系统中越来越受到重视。
FPGA是一种半定制的集成电路，它允许在半导体制造后通过编程来配置硬件逻辑。与传统的ASIC（Application-Specific Integrated Circuit，应用专用集成电路）相比，FPGA具有更高的设计灵活性，能够通过编程快速修改其硬件逻辑，而无需更换硬件。此外，FPGA的密度更大、编程灵活性更高以及工作速度更快，使其非常适合用于波形发生器等对速度和可重构性要求较高的场合。
单片机（Microcontroller Unit，MCU）是一种集成电路芯片，其内部集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口等多种功能模块。单片机因其小体积、低价格和功能齐全等优势，在各种电子系统中得到广泛应用。在波形发生器设计中，单片机常作为主控制器，负责协调整个系统的操作，包括控制信号的生成、通信处理等。
直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）是一种全数字技术，通过数字方式合成所需的波形信号。DDS的核心在于数字到模拟转换器（Digital to Analog Converter，DAC），它将数字信号转换为模拟信号。在波形发生器中，DDS技术通过数字采样、存储波形信息并进行快速检索，然后通过DAC转换为模拟波形输出。
系统设计部分描述了波形发生器的整体结构。该设计将单片机与上位机、模拟电路与FPGA等部分整合在一起，共同构成了波形发生器的硬件系统。单片机作为系统的中心控制单元，负责界面控制和波形数据的输出。上位机负责对波形发生器进行远程控制，与单片机通过串行通信进行交互，通常使用如MSComm等控件实现通信。FPGA部分主要负责波形数据的存储和查找，并与模拟电路部分协同工作，将数字波形信号转换为模拟信号输出。
在波形发生器的具体实现中，单片机部分通常使用诸如MCS-51系列的处理器，它通过相应的I/O端口与FPGA和DAC芯片进行通信。上位机通常使用PC机，通过用户界面发送控制命令。FPGA部分则负责波形数据的查找表（Lookup Table，LUT）存储和波形数据的生成，而模拟电路部分包括DAC转换器和低通滤波器，用于平滑波形和滤除高频噪声。
波形发生器的设计流程涉及到硬件设计和软件编程两个方面。硬件设计包括单片机、FPGA、DAC和模拟电路的设计，而软件编程则包括单片机和上位机的控制程序、FPGA的配置代码以及用户界面软件。在硬件方面，需要对信号的时序、电压等级、接口类型等进行精确设计，确保各部分协同工作。软件方面，则需要编写高效的算法来生成所需的波形，并通过上位机软件提供用户友好的操作界面。
基于FPGA与单片机的波形发生器设计是一种将EDA技术与可编程逻辑器件相结合的先进设计方法。通过对FPGA与单片机的灵活运用，波形发生器可以实现复杂波形的快速生成和灵活控制。本文所述的设计方法不仅在波形发生器设计方面具有参考价值，也为其他电子系统的设计提供了宝贵的实践经验。
