摘 要：高速信号发生器是用来提供测量所需的各种波形信号的电子仪器。针对当前市场上流行高性能信号发生器价格昂贵、性价比低的特点，本设计采用FPGA作为核心器件和DDS技术的高速高精度宽频正弦信号发生装置，通过Quartus II软件和VHDL语言在FPGA上设计出基于DDS技术的IP软核，并运用基于Nios II嵌入式处理器的SOPC技术实现对DDS IP核的控制，用以产生高速高精度宽频正弦信号，该信号发生器频率可调范围可达1Hz～40MHz，并且可实现1Hz的最小步进频率，同时还具有二进制PSK调制与ASK调制、调频、调幅等功能。最终实验表明该正弦信号发生器满足原定技术指标，实现了高精度宽频的技术要求，同时具有可靠性高、通用性好、集成度高和体积小、成本低等特点，有广泛的应用前景。
关键词：信号发生器；DDS技术；FPGA；SOPC技术
1 引言
信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器，被广泛应用于生产实践和科技领域中。信号发生器的重要应用之一就是实验并检测信号通信与电子电路等。从上世纪20年代出现信号发生器至今，基于技术而言，其主要发展历程可分为如下几个阶段，即模拟式信号发生器阶段、数字式信号发生器阶段以及虚拟信号发生器阶段。本课题来源于高校数字电子实验室数字信号源的性能改进。针对实验教学要求数字信号源具有通用性和普适性的特点，本文设计了基于Nios II软核处理器的正弦信号发生装置，该装置频率可调、频带宽、精度满足实验需求且价格低廉便于实验室大批量采购。
2 信号发生器设计方案
本系统主要实现调节波形信号频率、显示信号频率以及控制波形信号强度等功能。
设计方案的优点如下：第一、系统设计把所需的外围电路与处理器一同集中于一块芯片，不必再运用专用芯片，这在很大程度上缩小了系统体积，使系统规模更为简单；第二、基于PC机平台算法与C语言程序可以迅速有效地移植于Nios处理器；第三、若外围电路固定，运用更新算法、重新设计FPGA的内部电路便能在很大程度上提高系统的功能；第四、通过FPGA使片上可编程系统SOPC得以实现；第五、具有更灵活、集成度更高等优点。
3 硬件设计
本文研究中硬件主要牵涉到DDS生成、NiosII核心设计、调制模块设计、I/O设计。调制模块中包含AM、FM、ASK、PSK等模块设计。
3） ASK设计。ASK主要通过以下两种方法来实现，一是乘法器实现法，二是键控法，本论文通过键控法来实现。键控法的典型应用是通过电开关键来对载波振荡器的输出进行控制，并以此来实现。
4） PSK设计。通过数字信号来调制载波相位叫做相移键控，其通过数字基带信号来对载波相位进行控制，从而使载波相位出现跳变。
4 仿真测试与测试结果分析
仿真环境采用Quartus II软件
4.1 DDS正弦信号测试与测试结果分析
4.2 调制信号测试与测试结果分析
调出幅度为6V、频率为1KHz的正弦波；在调好载波频率，假设频率为10MHz，扫描时间设为：50ms；调幅循环调制（调制度Ma在10%～100%之间变化）；图4-5是测试后截取到的AM波形。
应通过频谱分析仪来对FM调制信号进行测试，测试所得的1MHz模拟调频信号载波，10KHz频偏的频谱图如图4-6所示。
4.3 性能分析讨论
5 结论
基于FPGA的正弦信号发生器是目前的主流形势。本文通过模块化设计硬件，通过VHDL语言对形成正弦信号的DDS进行了设计，并把其封装为IP核；通过基于NiosII嵌入式处理器的SOPC技术来控制DDS IP核。在该平台上基本实现了预期目标，所设计的系统可输出正弦信号的频率为1Hz～40MHz、最小步进频率为1Hz；另外还可具有调频与调幅功能、二进制PSK功能以及二进制ASK调制功能等。
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作者简介：潘晓峰（1982-），男，硕士，主要研究领域为自动化控制。