摘  要： 利用LabView圖形化虛擬儀器開發平臺，設計一個基于FPGA的DDS（直接數字頻率合成）信號發生器。通過FPGA的下位機和LabView上位機的配合使之能夠輸出多種固定波形和任意波形，在不用改變硬件平臺的情況下，能夠隨時對系統進行重構或拓展開發。

　　關鍵詞： LabView；FPGA；DDS

　　0 引言

　　信號發生器是一種常用的信號源，廣泛應用于電子電路、自動控制和科學實驗等領域[1]，并在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。目前，實驗室的信號發生器多采用購買的精密儀器，不但價格昂貴，而且不能發揮全部功能，造成資源浪費。本課題基于虛擬儀器開發平臺LabView設計了任意波信號發生器，利用這種圖形化的編程語言，用戶只需通過上位機即可實現任意波形載入以及信號發生器的控制，擺脫了傳統儀器獨立使用、手動操作的模式[2]。

1 DDS的基本概念

　　DDS是根據正弦函數的產生，從相位出發，由不同的相位給出不同的電壓幅度，即相位——正弦幅度變換，最后濾波、平滑輸出所需要的頻率[3]。典型的DDS原理方框圖如圖1所示。它包括如下基本的部件：相位累加器、波形存儲器、D/A變換器、低通濾波器[4]。

　　相位累加器類似于一個簡單的計數器，由加法器與累加寄存器級聯構成，它將相位寄存器輸出端反饋到加法器輸入端，實現累加功能[4]。每來一個時鐘脈沖，頻率控制字與相位累加器累加，得到波形相位值，這些數據作為波形存儲器的取樣地址，在ROM中進行波形相位—幅度的轉換，并輸出數字化的波形。然后ROM輸出給D/A變換器，將數字量化的波形幅度值轉換成一定頻率的模擬信號。最后，D/A輸出的臺階信號再經過濾波器平滑以得到精確連續的信號波形。

　　下面建立DDS輸出頻率與其他一些參數之間的基本關系[5]：

　　fc——參考時鐘頻率，Tc=1/fc；

　　fo——輸出頻率，To=1/fo；

　　K——頻率控制字。

　　設累加器的長度是N位，通常不可能使用全部的N位作為存儲相位信息來控制ROM產生一整周正弦波的輸出，比如說使用M位（N位中的最高的M位，M<N，即相位截斷）。完成一整周的正弦波輸出需要經過2π/（K×（2π/2N））個參考時鐘周期，即2N/K個周期。因此可以得到輸出頻率的周期為：。

　　最高的基波合成頻率受奈奎斯特采樣定律的限制（至少每周兩次抽樣才能重構波形），所以有：，K=2N-1。

2 系統設計方案

　　本設計利用DDS原理，采用Verilog語言并在QuartusⅡ9.1環境下實現了對FPGA部分的設計和編程，并且在計算機上使用LabView設計一個用于控制下位機的面板。

　　2.1 總體設計框圖

　　總體框圖如圖2所示，LabView的上位機界面主要用于實現波形的選擇、調整以及任意波形的繪制，并且實現對于下位機硬件部分FPGA以及外擴電路的控制。基于FPGA下位機的硬件部分，主要包含了DDS模塊以及外圍電路部分。在整個系統工作的過程當中，外部晶振提供了USBFIFO2.0模塊、NIOS II內核模塊、相位累加器模塊、存儲器模塊以及DA模塊的時鐘信號。

　　2.2 基于LabView上位機信號發生器設計

　　LabView是一種圖形化的編程語言和開發環境，它結合了圖形化編程方式的高性能與靈活性，開發周期短，運行速度快[6]。用戶可以隨心所欲地根據自己的需求，設計儀器系統，滿足多種多樣的應用需求。因此，用LabView對任意波信號發生器的設計是一種最理想的方法，可以在一定硬件基礎上獲得更多的功能，使得整個系統更加緊湊[7]。

　　圖3為一個波形信號發生器的前面板設計，該前面板可以同時實現固定波形以及任意波形的調整功能。在主程序面板上，用戶可以通過鼠標和鍵盤控制面板上的開關和按鈕，從而實現對信號發生器的控制。

　　前面板左邊部分為波形顯示模塊，通過右邊部分對采樣信息和頻率進行調節，對波形類型的選擇，并可對波形幅值、垂直偏置進行調整，最終將波形顯示出來。當用戶需要選擇任意波形時，只需將布爾開關選擇到任意波形，再通過鼠標點擊在波形繪制面板上進行手工繪制即可。當按下鼠標左鍵時，布爾燈亮，拖動鼠標，顯示界面會按照使用者繪制的鼠標圖形進行采樣取值，X軸和Y軸分別顯示波形幅值和采樣的時間。繪制完成后點擊停止按鈕，跳出循環，結束運行程序。其中CLEAR按鈕的作用是清除信號，此控件只有想要改變信號發生器的初始相位時方能用到，在VI程序運行過程中，如果用戶想要改變發生器的初始相位，點擊該按鈕，所畫的波形圖則被清除。

　　波形信號發生器程序框圖如圖4、圖5所示，在while循環中嵌套一個case結構，當在前面板中布爾開關選擇固定波形時，case結構為真，如圖4；當開關選擇任意波形時，case結構為假，如圖5。

　　圖4中，后面板的固定波形程序設計是一個布爾型輸入條件結構，相當于IF ELSE結構，存在0、1、2、3四個分支，分別代表三角波、鋸齒波、正弦波、方波四種波形。體現在前面板是利用一個下拉列表來選擇多種不同的波形。

　　根據課題設計所要實現的功能，任意波信號發生器采用手繪的方法，波形繪制功能的程序框圖如圖5所示。

　　手繪任意波形功能的程序采用了事件結構（Event Structure）技術，所謂事件結構就是在某種情況、某個時間發生某事件的時候給出一個提示。事件的檢測和處理一般是連續進行的，因此，事件結構也應該是連續被調用的，常見的事件結構是while循環+事件結構。該手繪任意波形的過程中定義了幾個用戶事件：鼠標移動、鼠標釋放、鼠標按下、值改變。下面分別介紹各事件分支的設計功能：

　　[0]事件分支：鼠標移動，坐標至XY映射，采集鼠標拖動時產生的軌跡點，輸入給條件結構中一個數組簇里，該條件結構嵌套在事件結構中，最后在波形圖上輸出采集到的波形。

　　[1]、[2]事件分支：鼠標釋放，鼠標按下，在局部變量布爾上增添一個布爾開關，當鼠標按下時，布爾輸入是T真常量，布爾燈亮，程序開始采集。當鼠標釋放，布爾輸入為F假常量，布爾燈滅，程序采集結束。

　　[3]事件分支：“clear”值改變，在事件結構中只加入一個cancel控件，在前面板中命名為clear，當按下clear按鈕時，無輸入，波形輸出不顯示，實現清除功能。

3 實驗結果及結論

　　按照表1所設置的參數設置固定波形信號發生器，以正弦波舉例，得到的波形如圖6所示。

　　通過鼠標手工繪制的任意波形如圖7所示。

　　本設計在LabView2012版本的平臺下實現一個任意波信號發生器，具有設計簡單、靈活性強的優點，徹底打破了傳統儀器由廠家定義、用戶無法改變的模式[8]。隨著網絡和虛擬技術的不斷發展，虛擬儀器不僅是21世紀儀器發展的方向，而且必將逐步取代傳統的硬件化電子儀器，使成千上萬種傳統儀器都融入計算機體系中[9]。

參考文獻

　　[1] 張永瑞，劉振起，楊林耀，等.電子測量基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2004.

　　[2] 樊睿.基于LabView的虛擬波形發生器的設計[D].西安：西安理工大學，2010.

　　[3] 白居憲.直接數字頻率合成[M].西安：西安交通大學出版社，2007.

　　[4] 張萍，高海霞，柴常春，等.用于DDS系統相位累加器的加法器設計[J].現代電子技術，2007，30（13）：49-50.

　　[5] 胡力堅.基于DDS任意波發生器設計[D].西安：西安電子科技大學，2009.

　　[6] 劉暢，張立成，蔣宏.基于LabView和SOPC的任意波形發生器設計[J].電子測量技術，2011，34（1）：66-68，81.

　　[7] 宮琴，陳曦，劉京雷，等.新型耳穴檢測系統的研制[J].儀器儀表學報，2009，30（10）：2213-2218.

　　[8] 秦豐，狄瑞坤，歐陽珍.基于圖形化編程語言LabView的虛擬儀器開發[J].機床與液壓，2004（8）：107-109.

　　[9] 李震，柯旭貴，汪云祥.虛擬儀器的發展歷史，研究現狀與展望[J].安徽工程科技學院學報，2003，18（4）：1-4.