一．設(shè)計(jì)概述

1.1 設(shè)計(jì)目的

利用賽靈思公司 A7 系列板卡 EG01、AD9226 模塊和 DAC904 模塊， 制作一個(gè)便攜式、寬頻帶的示波器和 DDS 信號(hào)源，兩者二合一，既能產(chǎn)生信號(hào)波形又可以實(shí)現(xiàn)示波器的基本功能。

1.2 應(yīng)用領(lǐng)域

DDS 信號(hào)源可以產(chǎn)生生活中用到的一些基本波形，輸出的信號(hào)具 有頻譜純度高、頻率分辨率高和頻率轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn),該系統(tǒng)可以 廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等領(lǐng)域。示波器主要功能即“示波”，把肉眼 看不到的信號(hào)顯示在屏幕上，并測量出信號(hào)的各種參數(shù)，如頻率，幅 值，占空比，頻譜等。本次設(shè)計(jì)把 DDS 信號(hào)源以及示波器結(jié)合起來， 既可以實(shí)現(xiàn)它們的基本功能，也具有便攜式等特點(diǎn)。

1.3 適用范圍

(1)DDS 信號(hào)源可以產(chǎn)生任意頻率的方波、正弦波、三角波等基 本波形。

(2)示波器具有改變 時(shí) 基設(shè)置采樣頻率的功能。

(3)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示波形的功能。

(4)具有對波形頻率、占空比、幅值分析的功能。

(5)具有 FFT 頻譜分析的功能。

(6)顯示波形可以左右上下移動(dòng)。

1.4 設(shè)計(jì)實(shí)物

二．示波器與 DDS 信號(hào)源設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)介紹

DDS 系統(tǒng)其主要元件有相位累加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、 低通濾波器。其中 DDS 關(guān)鍵部分就是相位累加器，外部時(shí)鐘控制相位 累加器讀取數(shù)據(jù)的地址值，通過查表，把地址直接轉(zhuǎn)換成為所需信號(hào) 波形的幅度數(shù)字，再經(jīng)由數(shù)模轉(zhuǎn)換器把信號(hào)波形幅度的數(shù)字序列進(jìn)一 步轉(zhuǎn)化為模擬電壓，最后傳送到低通濾波器。經(jīng)過濾波器處理，將數(shù) 模轉(zhuǎn)換器中不理想的階梯狀波形轉(zhuǎn)化為平滑的所需波形。合成信號(hào)的 正弦波、方波、三角波等波形通過特殊算法處理實(shí)現(xiàn)。

示波器系統(tǒng)由 ADC 采樣信號(hào)處理模塊、FFT 頻譜計(jì)算模塊、測頻 模塊、測峰峰值模塊、VGA 顯示模塊組成。外部模擬信號(hào)輸入 ADC 采 樣模塊，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 FPGA 系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)引出三路分別給 FFT 模塊、測頻模塊、測峰峰值模塊進(jìn)行參數(shù)測量。引出一路寫進(jìn)一 片雙口 RAM 中，暫存波形數(shù)據(jù)，VGA 模塊從雙口 RAM 中讀出波形數(shù)據(jù)。FFT 模塊計(jì)算出頻譜，頻譜數(shù)據(jù)寫 入一片雙口 RAM 中，VGA 模塊讀出 頻譜數(shù)據(jù)。頻率和峰峰值參數(shù)傳給 VGA 顯示模塊。最后 VGA 顯示模塊 把數(shù)據(jù)傳給顯示器顯示。

2.2 各模塊介紹 2.2.1.AD 采樣模塊

我們采用 AD9226，AD9226 是一款 12 位，最高采樣率為 65MHz 的 高速 ADC。在本設(shè)計(jì)中，我們從 FPGA 開放板引出一路 50MHz 的時(shí)鐘 驅(qū)動(dòng) AD9226，作為 AD9226 的采樣時(shí)鐘，即采樣率為 50MHz。

2.2.2.FFT 頻譜計(jì)算模塊

FFT（快速傅里葉變換）其本質(zhì)就是 DFT，只不過可以快速的計(jì) 算出 DFT 結(jié)果，要弄懂 FFT，必須先弄懂 DFT，DFT(Discrete Fourier Transform)即離散傅里葉變換。

DFT 的公式：

對應(yīng)于本設(shè)計(jì)，x(n)為經(jīng) ADC 轉(zhuǎn)換后得到的序列, X(k)為對應(yīng)的頻譜 序列，若 ADC 采樣率為 ,序列 x(n)長度為N ,即采集了 N 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)， 則 X(k)對應(yīng)的頻率為k * / N , X (0)對應(yīng)頻率為 0，即直流分量，頻率 分辨率為?f = /

在計(jì)算機(jī)中可以這樣展開：

Magnitude 即 X(k)的幅值，Amplitude 為對頻率點(diǎn)的幅值大小， 這樣便得到了各個(gè)頻率點(diǎn)的幅度，即幅度譜。

本設(shè)計(jì)我們在 Vivado 開發(fā)環(huán)境下使用 Xilinx 提供的 FFT IP 核 進(jìn)行 FFT 運(yùn)算。下面簡單介紹一下這個(gè) IP 核。這個(gè)IP核有兩個(gè)輸入接口:S_AXIS_DATA和S_AXIS_CONFIG,一個(gè) 輸出接口 M_AXIS_DATA,一個(gè)時(shí)鐘 aclk 和一些相關(guān)標(biāo)志信號(hào)。S_AXIS_DATA 為輸入數(shù)據(jù)接口，控制數(shù)據(jù)輸入的狀態(tài)，S_AXIS_CONFIG 為配置接口，M_AXIS_DATA 數(shù)據(jù)輸出接口。控制好接口和相關(guān)標(biāo)志信 號(hào)，寫 IP 的驅(qū)動(dòng)程序，IP 便可以開始工作，計(jì)算出 FFT 頻譜。驅(qū)動(dòng) 程序見附錄。

要用好 FFT IP 核還必須了解它的時(shí)序圖，如下：

圖 2.2 ：FFT 時(shí)序圖

如圖所示，輸入和輸出數(shù)據(jù)都在 AXI 總線上以流水線的的形式一 幀一幀地輸入輸出。本設(shè)計(jì)我們設(shè)計(jì)輸入序列的長度為 2048，即輸 入一幀數(shù)據(jù)為 2048 個(gè)，2048 個(gè)數(shù)依次輸入，每過一個(gè)時(shí)鐘周期更新 一次總線上的數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)一幀也為 2048 個(gè)，每個(gè)數(shù)據(jù)依次輸出， 每過一個(gè)時(shí)鐘周期 更 新一次總線上的數(shù)據(jù)。對應(yīng)于 FFT，輸入序列為 x(n),輸出序列為 X(k)，長度均為 2048。IP核一幀一幀地運(yùn)算，當(dāng) m_axis_data_tvalid 為 1 期間，輸出數(shù)據(jù)有效，每隔一定時(shí)間輸出 一幀有效數(shù)據(jù)。

2.2.3.測頻模塊

本設(shè)計(jì)采用等精度測量法測量輸入信號(hào)頻率。等精度測量法，主 導(dǎo)思想是利用一個(gè)閥門信號(hào)保證測量時(shí)間是被測頻率的整數(shù)倍，對被 測頻率和基準(zhǔn)頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，利用計(jì)數(shù)值求出被測頻率，由于測量誤 差只和基準(zhǔn)頻率和閘門時(shí)間有關(guān)，與被測頻率無關(guān)，故稱為等精度測 頻。時(shí)序圖如下。

預(yù)置閘門到實(shí)際閘門由一個(gè) D 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為 ，被 測頻率為 ，如時(shí)序圖所示，之間關(guān)系為

，則 。

2.2.4.測峰峰值模塊

我們通過檢測輸入 ADC 數(shù)據(jù)的最大值和最小值，測峰峰值，每隔一段時(shí)間測一次， 輸出一次。代碼截圖：

2.2.5.VGA 顯示模塊

VGA 顯示原理：

首先 VGA 就是如今很多顯示器上連接主機(jī)的信號(hào)傳輸接口。有三 排每排 5 個(gè)共 15 個(gè)引腳。如下圖所示：

VGA 顏色顯示是 RGB 來控制的，最高 24 位（即 RGB 各 8 位）、16 位、12 位等，本次實(shí)驗(yàn)采用的是 12 位的 RGB。

顯示器的掃描方式是逐行掃描，即掃描像素點(diǎn)從屏幕最左上角開 始，從左向右，從上到下，每行結(jié)束時(shí)，用行同步信號(hào)進(jìn)行同步；當(dāng) 掃描完屏幕上所有的點(diǎn)，形成一幀，用場同步信號(hào)進(jìn)行場同步，并使 掃描點(diǎn)重新回到屏幕的左上方，同時(shí)進(jìn)行場消隱,開始下一幀。具體 的行同步時(shí)序與場同步時(shí)序如下圖所示：

分辨率不同其同步、顯示前沿、顯示后沿、有效數(shù)據(jù)、場掃描周 期、行掃描周期等都有不同，本次實(shí)驗(yàn)采用的是 1024*800 的分辨率， 各個(gè)分辨率以上參數(shù)具體如下：

波形顯示模塊核心代碼：

邊框、坐標(biāo)軸、方塊的顯示實(shí)現(xiàn)，核心代碼如下圖：

字符顯示實(shí)現(xiàn)：

每一個(gè)字符都為 8*16，在給定區(qū)域進(jìn)行顯示，具體代碼如下：

對需要顯示的頻率數(shù)字進(jìn)行調(diào)用，代碼如下：

2.2.6 相位累加器模塊

相位累加器可以外部時(shí)鐘信號(hào)的控制下產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的地址值， 然后通過查表法，把地址直接轉(zhuǎn)化為所需信號(hào)波形的數(shù)字幅度序列。

2.2.7 波形存儲(chǔ)器模塊

波形存儲(chǔ)器也被稱之為正弦查詢表，它的主要功能是在任何一個(gè) 參考時(shí)鐘周期內(nèi)，都可以把從上一級(jí)傳輸過來的相位二進(jìn)制碼信息作 為地址，讀取查詢表中的相應(yīng)地址對應(yīng)的幅值二進(jìn)制碼信息。

當(dāng)收到上一級(jí)相位累加器傳輸過來的相位二進(jìn)制碼信息時(shí)，將其 作為地址來讀取內(nèi)部對應(yīng)的預(yù)先存好的存儲(chǔ)內(nèi)容即標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的幅值 二進(jìn)制碼信息，并將這個(gè)幅值信息的 D 位二進(jìn)制碼傳送給下一級(jí)。

2.2.8 低通濾波器模塊

低通濾波器（Low Pass Filter，LPF）主要是將上級(jí)（D/A 轉(zhuǎn)換 器）輸出的階梯形的正弦信號(hào)進(jìn)行平滑處理，去除混疊的、無用的雜 散分量，使輸出信號(hào)更為純凈，波形變得更為平滑。

完成情況及性能參數(shù) 3.1.DDS 信號(hào)源測試

此次設(shè)計(jì)的 DDS 信號(hào)源系統(tǒng)可以無失真穩(wěn)定產(chǎn)生波形頻率范圍為 1HZ 至 2MHZ。（頻率分辨率為 1HZ），1HZ、2KHZ、1MHZ 的正弦、方波、三角波如下圖 所示：

3.2.示波器部分

示波器的時(shí)基變換，波形的上下左右移動(dòng)因不方便截圖，在視頻中均有演示。

四、總結(jié) 4.1 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

本次設(shè)計(jì)完成了一個(gè)基于 FPGA 的 DDS 信號(hào)源與示波器的混合系統(tǒng)，其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：

1.該系統(tǒng)為便攜式 DDS 信號(hào)源與示波器的混合系統(tǒng)，將 DDS 信號(hào)源與示波器整合在一起，更高效率的利用了 FPGA 片上資源。

2.采用等精度測量法對頻率進(jìn)行測量，其頻率測量誤差小于0.01 %。

3.自主設(shè)計(jì) FPGA 拓展板，使系統(tǒng)的體積更小，整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，便攜性大大提高。

4.可以實(shí)時(shí)顯示波形與頻譜。

4.2 可擴(kuò)展之處

由于開發(fā)時(shí)間有限，因此目前的系統(tǒng)還有許多可改進(jìn)和擴(kuò)展之處：

1.此次設(shè)計(jì)的示波器功能可以增加一路或多路數(shù)據(jù)通道，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)波 形的顯示。

2.優(yōu)化波形顯示系統(tǒng)，可以對濾波算法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，從而提高波形平 滑率。

3.優(yōu)化 FPGA 算法，提升片上資源利用率，比如在字符顯示模塊，占用了較多的寄存器資源，因而后期會(huì)針對性的完善這個(gè)模塊，提高資源利用率。

4. DDS 信號(hào)源暫時(shí)只能產(chǎn)生頻率、幅值可調(diào)的正弦、方波、三角波等，后期會(huì)完善其功能，增加產(chǎn)生調(diào)頻、調(diào)幅波功能。

文章來源于 FPGA技術(shù)江湖 ，作者 The last one

芯片測試技術(shù)研討會(huì)報(bào)名(3月18日 西安）