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摘 要：波形发生器是不断发展的数字信号处理技术和大规模集成电路工艺蕴育出来的一种新型测量仪器，能够满足人们对各种复杂信号或特殊信号的需求，代表了信号源的发展方向。可编程门阵列（FPGA）具有高集成度、高速度、可重构等特性。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减小印制电路板的面积，提高系统的可靠性和灵活性。本文以FPGA为硬件基础，通过系统硬件电路设计、逻辑设计和软件设计，实现了一款基于FPGA正弦信号波形发生器。本文分析了正弦信号发生器的原理并为任意波形发生器的设计与实现提供了理论指导。以Quartus II软件作为开发工具，使用Verilog HDL语言编写相关程序，并在QUARTUST II软件上进行编译仿真，最后下载到FPGA芯片上实现。通过测试，说明正弦信号波形发生器达到了预期的设计要求。
关键词：扫频信号；发生器；研究
一、引言
在电子技术领域，常需要波形、频率、幅度都可调节的电信号，用于产生这种电信号的电子测量仪器称作信号发生器。
信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。从本质上看，测量是一个将客观物理量转换成测试信息量的变换过程。当测试对象为系统性能参数时，通常采用如下测量方法：在测试系统中，系统参数的测量基于输入激励和输出响应的对应关系，这种方法被称作“激励—响应”法，如图1所示。
随着科学实验研究需求的不断发展，传统的信号发生器在一些特定的场合已经不能满足要求，由此可以再我们研究的基础上进行任意信号的函数信号发生器的设计。
二、设计意义及设计总体方案
正弦信号发生器是在电子电路设计、自动控制系统和仪表测量校正调试中应用很多的一种信号发生装置和信号源，属于数字信号发生器。而正弦信号是一种频率成分最为单一的常见信号源，任何复杂信号（例如声音信号）都可以通过傅里叶变换分解为许多频率不同、幅度不等的正弦信号的叠加，它的应用领域很广范。
本文结合不同正弦信号发生器的工作原理，最终决定采用这种方案进行设计，即先由8位计数器构成的地址发生器产生地址进而使正弦波数据存储ROM输出相应地址中的波信号数据，再进行相应的数模转换，从而达到输出正弦波信号的目的。
三、VHDL语言介绍
VHDL全名Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。
VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在對一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。
四、QuartusⅡ软件
Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。
Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。
Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境， 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。
基于Quartus II进行EDA设计开发的流程包括以下步骤。
设计输入：包括原理图输入、HDL文本输入、EDIF网表输入及波形输入等几种方式。
编译：先根据设计要求设定编译方式和编译策略，如器件的选择、逻辑综合方式的选择等。然后根据设定的参数和策略对设计项目进行网表提取、逻辑综合、器件适配，并产生报告文件、延时信息文件，供分析、仿真和编程使用。
仿真：包括功能仿真、时序仿真和定时分析，可以利用软件的仿真功能来验证设计项目的逻辑功能和时序关系是否正确。
编程与验证：用得到的编程文件通过编程电缆配置PLD，加入实际激励，进行在线测试。
五、正弦函数信号发生器的设计
本文结合不同正弦信号发生器的工作原理，最终决定采用如下设计方案：
即先由8位计数器构成的地址发生器产生地址进而使正弦波数据存储ROM输出相应地址中的波信号数据，再进行相应的数模转换，从而达到输出正弦波信号的目的。
（一）设计方案概括
（1）正弦波的产生原理是利用不断扫描读取给定编程数据需来实现的，那么就需要定制LPM_ROM出来，从而将波形数据存所定制的ROM中；
（2）波形数据存储好后，就需要一地址信号发生器，由计数器构成，来选择已经定制好的ROM中的相应地址位；
（3）波形输出需要一个8位DA转换装置，可以选择DAC0832
简而言之，就是利用已经定制好的LPM_ROM，再结合相应的由计数器构成的地址信号发生器来扫描读取相应的波形数据，从而进行波形显示。
（二）课程设计解决方案的原理框图
设计框图如下图2所示：
该正弦信号发生器工作时，先由8位计数器构成的地址发生器产生地址进而使正弦波数据存储ROM输出相应地址中的波信号数据，再进行相应的数模转换，从而达到输出正弦波信号的目的。
关键词：扫频信号；发生器；研究
一、引言
在电子技术领域，常需要波形、频率、幅度都可调节的电信号，用于产生这种电信号的电子测量仪器称作信号发生器。
信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。从本质上看，测量是一个将客观物理量转换成测试信息量的变换过程。当测试对象为系统性能参数时，通常采用如下测量方法：在测试系统中，系统参数的测量基于输入激励和输出响应的对应关系，这种方法被称作“激励—响应”法，如图1所示。
随着科学实验研究需求的不断发展，传统的信号发生器在一些特定的场合已经不能满足要求，由此可以再我们研究的基础上进行任意信号的函数信号发生器的设计。
二、设计意义及设计总体方案
正弦信号发生器是在电子电路设计、自动控制系统和仪表测量校正调试中应用很多的一种信号发生装置和信号源，属于数字信号发生器。而正弦信号是一种频率成分最为单一的常见信号源，任何复杂信号（例如声音信号）都可以通过傅里叶变换分解为许多频率不同、幅度不等的正弦信号的叠加，它的应用领域很广范。
本文结合不同正弦信号发生器的工作原理，最终决定采用这种方案进行设计，即先由8位计数器构成的地址发生器产生地址进而使正弦波数据存储ROM输出相应地址中的波信号数据，再进行相应的数模转换，从而达到输出正弦波信号的目的。
三、VHDL语言介绍
VHDL全名Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言 。VHDL和Verilog作为IEEE的工业标准硬件描述语言，得到众多EDA公司支持，在电子工程领域，已成为事实上的通用硬件描述语言。
VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。它在80年代的后期出现。最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言 。
VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分，及端口）和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在對一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。
四、QuartusⅡ软件
Quartus II 是Altera公司的综合性PLD/FPGA开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（Altera Hardware Description Language）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
Quartus II可以在XP、Linux以及Unix上使用，除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。
Quartus II支持Altera的IP核，包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。
Altera Quartus II 作为一种可编程逻辑的设计环境， 由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。
基于Quartus II进行EDA设计开发的流程包括以下步骤。
设计输入：包括原理图输入、HDL文本输入、EDIF网表输入及波形输入等几种方式。
编译：先根据设计要求设定编译方式和编译策略，如器件的选择、逻辑综合方式的选择等。然后根据设定的参数和策略对设计项目进行网表提取、逻辑综合、器件适配，并产生报告文件、延时信息文件，供分析、仿真和编程使用。
仿真：包括功能仿真、时序仿真和定时分析，可以利用软件的仿真功能来验证设计项目的逻辑功能和时序关系是否正确。
编程与验证：用得到的编程文件通过编程电缆配置PLD，加入实际激励，进行在线测试。
五、正弦函数信号发生器的设计
本文结合不同正弦信号发生器的工作原理，最终决定采用如下设计方案：
即先由8位计数器构成的地址发生器产生地址进而使正弦波数据存储ROM输出相应地址中的波信号数据，再进行相应的数模转换，从而达到输出正弦波信号的目的。
（一）设计方案概括
（1）正弦波的产生原理是利用不断扫描读取给定编程数据需来实现的，那么就需要定制LPM_ROM出来，从而将波形数据存所定制的ROM中；
（2）波形数据存储好后，就需要一地址信号发生器，由计数器构成，来选择已经定制好的ROM中的相应地址位；
（3）波形输出需要一个8位DA转换装置，可以选择DAC0832
简而言之，就是利用已经定制好的LPM_ROM，再结合相应的由计数器构成的地址信号发生器来扫描读取相应的波形数据，从而进行波形显示。
（二）课程设计解决方案的原理框图
设计框图如下图2所示：
该正弦信号发生器工作时，先由8位计数器构成的地址发生器产生地址进而使正弦波数据存储ROM输出相应地址中的波信号数据，再进行相应的数模转换，从而达到输出正弦波信号的目的。