基于FPGA的信号发生器的设计.pdf

基于FPGA（现场可编程门阵列）的信号发生器是一种利用FPGA芯片实现的电子设备，它能够产生多种模拟信号，广泛应用于测试、调试和原型开发等领域。本文将详细介绍基于FPGA的信号发生器的设计原理、硬件组成以及实现方案。 FPGA在信号发生器设计中的应用是基于其具备的几个关键特点：接口灵活、编程简单、可重复编程、并行处理能力强大。利用这些特性，FPGA可以实现复杂的信号处理功能，并能够通过编程来调整其内部逻辑结构，适应不同的信号处理需求。 本设计中，作者采用了Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片。Cyclone系列FPGA因其高性能、低成本及丰富的资源而广受青睐。此外，还使用了Analog Devices公司的AD7847数模转换器（D/A转换器），用于将FPGA产生的数字信号转换为模拟信号。D/A转换器在这里起到了桥梁的作用，它允许数字系统与模拟世界之间进行通信。 信号发生器的核心是产生复合调制信号。复合调制信号由90Hz和150Hz的正弦信号叠加而成，在相位为0度的条件下，通过调整两个正弦信号的幅度差，可以生成不同调制指数的复合信号。这种信号在航空电子设备、特别是仪表着陆系统（ILS）的测试中非常重要，因为在ILS系统中必须能够模拟地面信号以引导飞机自动着陆。 信号发生器的硬件组成主要包括以下几个部分：1）MCS51单片机与FPGA的接口，它负责实现单片机与FPGA之间的数据传输；2）控制及显示部分的接口，用于DDM（差分调制）的识别和显示；3）数模转换部分，负责将FPGA输出的数字信号转换为模拟信号，其幅度由D/A转换器的参考电压控制；4）复合信号的合成部分，通过合成90Hz和150Hz的正弦信号来形成复合电压信号。 在硬件设计中，特别需要注意单片机与FPGA的通信逻辑。为了保证信号的准确传输，需要根据单片机的总线读写时序来设计逻辑结构。单片机通过一系列控制信号（如ALE、WR、RD、PSEN）与外部设备进行通信，并将指令从内存中读取出来。这些控制信号的时序对于设计整个电路的逻辑至关重要。 在实现信号发生器的过程中，作者还指出了工程设计中容易出现的问题，并给出了相应的解决思路。例如，为了保证信号精度，数据电位器的分辨率至少要达到1，以满足DDM精度为0.001的计算要求。 通过上述介绍，我们可以看出，基于FPGA的信号发生器设计是一个涉及数字逻辑设计、硬件接口、信号处理和编程等多个方面的综合工程。它不仅要求设计者具备扎实的硬件电路设计能力，同时也需要对FPGA编程和系统集成有深入的理解。本设计展示了如何利用FPGA强大的可编程能力和灵活性来实现复杂信号的产生和控制，这对于电子工程师来说是一个非常有价值的设计参考。