基于FPGA的任意信號發生器設計

許明輝

（成都理工大學信息科學與技術學院，610059）

基于FPGA的任意信號發生器設計

許明輝

（成都理工大學信息科學與技術學院，610059）

任意波形信號發生器在現代電子設計產品中發揮著巨大的作用，是一種在不斷發展的數字信號技術、大規模集成電路工藝中發展而來的一種新的測量工具。滿足人們對于特殊信號的要求，也可以模擬實際生活中各種各樣的信號，為我們的測量信號提供幫助。本文將沿用DDS原理，以FPGA為基礎實現任意信號發生器。

直接頻率合成（DDS）；可編程門陣列（FPGA）；D/A

0 引言

在電子行業日益飛速發展的今天，DDS的技術日趨成熟，D/A芯片的日趨完善，再加上FPGA等可編程門陣列的橫空出世，為人們提供了非常豐富的手段去實現任意波形的產生。在本文中基于FPGA的任意信號發生器也是基于DDS原理來實現的。

1 系統硬件設計

系統由EP4CE6E22芯片與外接配置電路組成FPGA最小系統。FPGA的8位端口輸出與DAC芯片AD9708的D0~D7輸入端相連接，之后連接一個7階巴特沃斯低通濾波器和AD8065組成的信號放大電路。外部電路濾波、放大部分如圖1所示:

2 FPGA邏輯設計

系統的邏輯設計由按鍵消抖模塊、波形切換模塊、相位累加（pha）模塊 、數碼管顯示模塊，以及rom構成。按鍵消抖模塊避免按鍵抖動引起的控制干擾。波形切換模塊輸出4種波形（FPGA輸出8位數據位寬）。在相位累加器中要實現，每來一個時鐘，相位依次增加，根據不同的k值，相位增加的步進也會發生相應的變化。寄存器內部一開始為0，復位的時候也為0。ROM的功能主要是存放不同相位（地址）對應的波形的值。利用FPGA內部ROM，通過matlab 得到正弦波，方波，三角波，任意波形對應的512個點的值。

圖1 濾波、放大電路原理圖

3 測試結果

通過示波器觀察，如圖2我們可以看到當FPGA工作主頻為50Mhz，采樣地址512時，頻率初始值為98.04khz。按下一次頻率步進按鍵后，變換相位累加器模塊的K值，設置步進為100Khz，如圖3，改變頻率為195.3Khz（接近200Khz），此后每一次按下按鍵步進為100khz左右，由此基本功能已經完成。轉動變組器，幅值也有明顯變化，調幅功能也基本完成。

圖2 98.14kHz 正弦波

圖3 195.3kHz 正弦波

當按下波形切換按鍵時，出現方波，三角波，半周期正弦，半周期三角波的特殊波形。如圖4所示：

圖4

4 結論

基于FPGA的DDS任意信號發生器能夠產生任意的波形，并且能夠人為設置頻率輸出，在外部電路可以通過運放來改變幅值的大小，能夠滿足人們對于任意信號發生器的要求。本文中最小步進為將近100Khz，是因為自身FPGA的CLK頻率很高，沒有做分頻處理，可以根據需要來改變。輸出信號的頻率與FPGA自身頻率有關系，當輸出頻率達到一定值的時候，波形就會出現失真。而且因為D/A的關系，輸出數據的位數有限，比如本文中D/A為8位，則輸出的數據只能是8位，如果想要更加精確就會變得很困難。總之，用FPGA做DDS任意信號發生器是一個很有效的方法。

[1]張永瑞 等著.電子測量技術基礎.西安:西安電子科技大學出版社.2004.1-15

[2]黃智偉.FPGA系統設計與實踐[M].電子工業出版社.2005（1）33-35

[3]夏宇聞.Verilog數字系統設計教程.北京航天航空大學出版社.2008

[4]毛敏.基于DDS的高精度方波信號發生器的研究.西安電子科技大學工學碩士論文.2006.5-6

圖1 母線區內與區外故障情況下母線保護判斷方法示意圖

2.2 基于多Agent技術的電力系統母線保護的具體運用

在建設智能化電網的過程中，很多變電站采取了將保護下放到各個開關站的分散式布局形式，本文在將多Agent技術運用于電力系統母線保護中時，則同樣采取分布式結構，整個結構是由協調層與執行層組成，其中，協調層是將Agent設備作為站內的通訊主機，是網絡重組與判別兩個Agent結構組成；執行層Agent為母線各連接元件的保護裝置，是由測量、狀態檢測以及跳閘三個Agent組成。而經過研究表明，多Agent技術的母線保護原理可行，并且能夠排除電流互感器TA飽和的影響，同時，借助自適應能力來滿足實際運行方式之需，且保護動作較快、運行可靠。

3 總結

綜上，在全面打造智能電網的過程中，要想實現電網的安全可靠且高效運行，就需要在提高對電力系統母線保護重視程度的同時，積極將人工智能技術運用于其中。本文分別探討了人工神經網絡與多Agent技術在母線保護中的具體運用，并表明這兩項技術的運用，能夠滿足母線保護之需。

參考文獻

[1]郭步陽.試論人工智能技術在電力系統故障診斷中的應用[J].科技創新與應用,2015,34:206.

[2]常紅艷.電力系統自動化中智能技術的應用[J].電子測試,2016,18:123-124.

Design of arbitrary signal generator based on FPGA

Xu Minghui
（College of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology，610059）

Arbitrary waveform signal generator plays a great role in the design of modern electronic products,is a kind of development in the digital signal technology,the continuous development of large scale integrated circuit technology in a new measurement tool.To meet the requirements of the special signal,but also can simulate the actual life of a variety of signals,to help us to measure the signal.In this paper,we will use the DDS principle to implement any signal generator based on FPGA.

direct frequency synthesis (DDS);programmable gate array (FPGA);D/A