基于DDS的精密正弦信号发生器的设计
频率控制字 信号输出
时钟 图2-1 DDS与FPGA总体设计图
相位累加器 ROM D/A变换 低通滤波 方案三：基于FPGA的DDS函数信号发生器。采用VHDL语言来编程，然后下载文件到FPGA来实现。VHDL语言是电子设计领域的主流硬件描述语言,具有很强的电路描述和建模能力，能从多个层次对数字系统进行建模和描述，从而大大降低了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性,要比模拟电路快得多。该方案是利用FPGA具有的静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性，而且大大缩短了系统的开发周期。用该方案来实现DDS具有较强的灵活性，可以根据我们的需要写进去不同的功能模块，以此来达到题目所要求的功能。
2.4 方案确定
综合考虑以各种方案的优缺点，选择方案三。方案三的方法在软、硬件电路设计上都简单，且与我们的设计思路紧密结合。此设计采用DDS技术作为本设计的核心，不仅基于其低成本，而且在输出频率控制方面也显得很方便。其输出的频率、幅度均可调、精度高、分辨率低等一系列优点是将此方案作为本设计方案的不二之选。 由于FPGA对信号的处理功能不及微控制器，如果用它来做控制器的话，不仅代码量非常大，FPGA内部资源使用量将非常大，甚至可能会出现资源不够的情况，因此我们用89S52作为控制器来减轻FPGA的负担，同时方便系统的设计。FPGA内部仅用来产生各种信号并接收单片机发来的控制命令且FPGA运行速度非常高完全可以满足题目的要求。
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3 FPGA部分设计
3.1 FPGA的简介
FPGA是现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)的英语缩写，它是在阵列的各个节点放上由门 、触发器等做成的逻辑单元，并在各个单元之间预先制作了许多连线。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA由可编程逻辑单元阵列、布线资源和可编程的I/O单元阵列构成，一个FPGA包含丰富的逻辑门、寄存器和I/O资源。一片FPGA芯片就可以实现数百片甚至更多个标准数字集成电路所实现的系统。
FPGA的结构灵活，其逻辑单元、可编程内部连线和I/O单元都可以由用户编程，可以实现任何逻辑功能，满足各种设计需求。其速度快，功耗低，通用性强，特别适用于复杂系统的设计。使用FPGA还可以实现动态配置、在线系统重构（可以在系统运行的不同时刻，按需要改变电路的功能，使系统具备多种空间相关或时间相关的任务）及硬件软化、软件硬化等功能。
鉴于高频疲劳试验机控制器控制规模比较大，功能复杂，故我们在研制过程中，在传统试验机控制器的基础上，通过FPGA技术及微机技术两者的结合，来全面提升控制器系统的性能，使整机的工作效率、控制精度和电气系统可靠性得到了提高，且操作方便而又不乏技术的先进性。
FPGA的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计
（1）电路设计中FPGA的应用：连接逻辑，控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石．事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识（电路知识）和软件应用能力（开发工具）这方面的人才总是紧缺的，往往都从事新技术，新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来，通用和专用IP的设计将成为一个热门行业！搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识．在这个层面，干重于学，当然，快速入门是很重要的，越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗．
（2）产品设计：把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和
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专业技术的结合问题，另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的，FPGA技术是一个实现手段在这个领域，FPGA因为具备接口，控制，功能IP，内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场，具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高，路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建＂首发团队＂的状态，只要加入，前途光明产品设计是一种职业发展方向定位，不是简单的爱好就能做到的！产品设计领域会造就大量的企业和企业家，是一个近期的发展热点和机遇
（3）系统级应用：系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合，实现一种FPGA版的计算机系统如用Xilinx V-4，V-5系列的FPGA，实现内嵌POWER PC CPU，然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境，在这个平台上跑LINIX等系统这个系统也就支持各种标准外设和功能接口（如图象接口）了这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。这种“山寨味”很浓的系统早期优势不一定很明显，类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势，逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中，开发人员不具备系统的扩充开发能力，只是搞搞编程是没什么意义的，当然设备驱动程序的开发是另一种情况，搞系统级应用看似起点高，但不具备深层开发能力，很可能会变成爱好者，就如很多人会做网页但不能称做会编程类似以上是几点个人开发，希望能帮助想学FPGA但很茫然无措的人理一理思路。这是一个不错的行业，有很好的个人成功机会。但也肯定是一个竞争很激烈的行业，关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。
3.2 FPGA芯片的选择
随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多IC制造厂家涉足CPLD/FPGA领域。 目前世界上有十几家生产CPLD/FPGA的公司，最大的三家是：ALTERA XILINX Lattice 其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的市场份额。不同的厂家所提供的芯片也各有不同。
ALTERA：九十年代以后发展很快，是最大可编程逻辑器件供应商之一。主要产品有：MAX3000/7000,FLEX10K,APEX20K，ACEX1K，Stratix，Cyclone等。Altera是著名的PLD生产厂商，多年来一直占据着行业领先的地位。Altera的PLD具有高性能、高集成度和高性价比的优点，此外它还提供了功能全面的开发工具和丰富的IP
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核、宏功能库等，因此Altera的产品获得了广泛的应用。Altera的产品有多个系列，按照推出的先后顺序依次为Classic系列、MAX(Multiple Array Matrix)系列、FLEX(Flexible Logic Element Matrix)系列、APEX(Advanced Logic Element Matrix)系列、ACEX系列、Stratix系列以及Cyclone等[15]。
XILINX是FPGA的发明者，老牌FPGA公司，是最大可编程逻辑器件供应商之一。产品种类较全，主要有：XC9500，Coolrunner ，Spartan, Virtex等。开发软件为ISE。通常来说，在欧洲和美国用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA的人多。 全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。 可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。
Lattice是ISP技术的发明者,ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具略逊一筹。中小规模PLD比较有特色， 1999年推出可编程模拟器件。99年收购Vantis（原AMD子公司）,成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购agere公司（原Lucent微电子部）的FPGA部门。主要产品有ispMACH4000，EC/ECP,XO,XP以及可编程模拟器件等。
在FPGA中常用的编程工艺有反熔丝和SRAM两类。综合考虑设计、仿真和调试的全过程，在此主要考虑选用Altera公司的FLEX10K系列的FPGA芯片。
FLEX10K是Altera公司1995年推出的产品系列，它集合了可编程器件的灵活性，采用0.5μmCMOS SRAM工艺制造，器件规模从10000门到250000门，系统时钟可以达到204MHZ，兼容66MHZ，64 bit PIC，采用独特的嵌入式阵列和逻辑阵列的逻辑实现结构，同一系列相同封装的芯片在管脚上满足兼容[16]。
同时，可为用户提供多达3K?8位的片内RAM，其双口RAM为独立的读写操作提供了独立的读、写端口，且每个I/O口都有寄存器；PLL时钟管理和时钟增强电路提高了系统的性能，并且可以提供时钟倍频；专用进位链路，可实现快速加法器和计数器功能；专用级联链路，支持系统集成；支持多时钟系统的低时滞要求；具有JTAG边界扫描测试内速电路；Altera的I/O多重电压3.3V或3.0V工作模式和FineLine BGA封装极大的提高了FLEX10K系列的灵活性和适应性。并由Altera公司的MAX plusⅡ开发系列提供软件支持。
本设计中采用Altera公司的FLEX10K系列芯片EPF10K10LC84-4，作为实现DDS的FPGA芯片。EPF10K10LC84-4的主要参数如表3-1[17]：
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