一．设计概述

1.1 设计目的

利用赛灵思公司 A7 系列板卡 EG01、AD9226 模块和 DAC904 模块，制作一个便携式、宽频带的示波器和 DDS 信号源，两者二合一，既能产生信号波形又可以实现示波器的基本功能。

1.2 应用领域

DDS 信号源可以产生生活中用到的一些基本波形，输出的信号具有频谱纯度高、频率分辨率高和频率转换速度快等优点,该系统可以广泛应用于通信、雷达等领域。示波器主要功能即“示波”，把肉眼看不到的信号显示在屏幕上，并测量出信号的各种参数，如频率，幅值，占空比，频谱等。本次设计把 DDS 信号源以及示波器结合起来，既可以实现它们的基本功能，也具有便携式等特点。

1.3 适用范围

(1)DDS 信号源可以产生任意频率的方波、正弦波、三角波等基本波形。

(2)示波器具有改变时基设置采样频率的功能。

(3)可以实现实时显示波形的功能。

(4)具有对波形频率、占空比、幅值分析的功能。

(5)具有 FFT 频谱分析的功能。

(6)显示波形可以左右上下移动。

1.4 设计实物

二．示波器与 DDS 信号源设计

2.1 系统介绍

DDS 系统其主要元件有相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器。其中 DDS 关键部分就是相位累加器，外部时钟控制相位累加器读取数据的地址值，通过查表，把地址直接转换成为所需信号波形的幅度数字，再经由数模转换器把信号波形幅度的数字序列进一步转化为模拟电压，最后传送到低通滤波器。经过滤波器处理，将数模转换器中不理想的阶梯状波形转化为平滑的所需波形。合成信号的正弦波、方波、三角波等波形通过特殊算法处理实现。

示波器系统由 ADC 采样信号处理模块、FFT 频谱计算模块、测频模块、测峰峰值模块、VGA 显示模块组成。外部模拟信号输入 ADC 采样模块，转化为数字信号进入 FPGA 系统。数字信号引出三路分别给 FFT 模块、测频模块、测峰峰值模块进行参数测量。引出一路写进一片双口 RAM 中，暂存波形数据，VGA 模块从双口 RAM 中读出波形数据。FFT 模块计算出频谱，频谱数据写入一片双口 RAM 中，VGA 模块读出频谱数据。频率和峰峰值参数传给 VGA 显示模块。最后 VGA 显示模块把数据传给显示器显示。

2.2 各模块介绍

2.2.1.AD 采样模块

我们采用 AD9226，AD9226 是一款 12 位，最高采样率为 65MHz 的高速 ADC。在本设计中，我们从 FPGA 开放板引出一路 50MHz 的时钟驱动 AD9226，作为 AD9226 的采样时钟，即采样率为 50MHz。

2.2.2.FFT 频谱计算模块

FFT（快速傅里叶变换）其本质就是 DFT，只不过可以快速的计算出 DFT 结果，要弄懂 FFT，必须先弄懂 DFT，DFT(Discrete Fourier Transform)即离散傅里叶变换。

DFT 的公式：

对应于本设计，x(n)为经 ADC 转换后得到的序列, X(k)为对应的频谱序列，若 ADC 采样率为

,序列 x(n)长度为N ,即采集了 N 个数据点，则 X(k)对应的频率为k *

/ N , X (0)对应频率为 0，即直流分量，频率分辨率为f =

/ N 。公式中的x(n)可以为复信号，实际当中x(n)都是实信号，即虚部为 0,此时公式可以展开为：

在计算机中可以这样展开：

Magnitude 即 X(k)的幅值，Amplitude 为对频率点的幅值大小，这样便得到了各个频率点的幅度，即幅度谱。

本设计我们在 Vivado 开发环境下使用 Xilinx 提供的 FFT IP 核进行 FFT 运算。下面简单介绍一下这个 IP 核。这个IP核有两个输入接口:S_AXIS_DATA和S_AXIS_CONFIG,一个输出接口 M_AXIS_DATA,一个时钟 aclk 和一些相关标志信号。S_AXIS_DATA 为输入数据接口，控制数据输入的状态，S_AXIS_CONFIG 为配置接口，M_AXIS_DATA 数据输出接口。控制好接口和相关标志信号，写 IP 的驱动程序，IP 便可以开始工作，计算出 FFT 频谱。驱动程序见附录。

要用好 FFT IP 核还必须了解它的时序图，如下：

图 2.2 ：FFT 时序图

如图所示，输入和输出数据都在 AXI 总线上以流水线的的形式一帧一帧地输入输出。本设计我们设计输入序列的长度为 2048，即输入一帧数据为 2048 个，2048 个数依次输入，每过一个时钟周期更新一次总线上的数据。输出数据一帧也为 2048 个，每个数据依次输出，每过一个时钟周期更新一次总线上的数据。对应于 FFT，输入序列为 x(n),输出序列为 X(k)，长度均为 2048。IP核一帧一帧地运算，当 m_axis_data_tvalid 为 1 期间，输出数据有效，每隔一定时间输出一帧有效数据。