摘要：信号发生器是科研及工程实践中最重要的仪器之一，以往多用硬件组成，系统结构比较复杂，可维护性和可操作性不佳。随着计算机技术的发展，信号发生器的设计制作越来越多地使用计算机技术，种类繁多，价格、性能差异很大。
在各种类信号发生器中，三角波信号发生器是最普通的一类。其原因除了三角信号容易产生，容易描述，还是比较广泛的载波信号。显然，由于信号发生器的性能，被测器件、设备各项性能参数的测量质量，将直接依赖于信号发生器的性能。
关键词：EDA技术；三角波信号发生器；电路原理图
中图分类号：R857，3 文献标识码：A
文章编号：1672—0407(2011)09—026—14
1.1 本课题目前发展状况
在研制、生产、测试和维修各种电子器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率、不同波形。有的将电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析确定他们的性能参数。这种提供测试用电信号的装置，统称为信号发生器，用在电子测量领域，也称为测试信号发生器。和示波器、频谱分析仪等一样，信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。除了在电子技术尤其是电子测量方面的应用外，信号发生器在其他领域也有很广泛的应用，例如机械部门的超声波探伤，医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。
信号发生器是输出供给量的仪器，它产生频率、幅度、波形等主要参数都可调节的信号，有以下作用：
1 测元件参数。如电感，电容的值及品质因数、损耗角等。
2 测网络的幅频特性、相频特性。连续改变信号源的频率，用示波器或电压表测网络的响应，属于稳态激励、点频测试。
3 测接收机。信号源发出射频已调波，测接收机的灵敏度、选择性、AGC范围等指标。
4 测量网络的瞬态响应。用方波或窄带脉冲激励，测网络的响应、冲击响应、时间等。
5 校准仪表。输出频率、幅度准确的信号，校准仪表的衰减器、增益及刻度。
此外信号源在调试雷达、电视、多路通讯系统和电子计算机、检修电子仪器也是十分重要的设备。
1.2 课题的提出与意义
信号发生器是科研及工程实践中最重要的仪器之一，以往多用硬件组成，系统结构比较复杂，可维护性和可操作性不佳。随着计算机技术的发展，信号发生器的设计制作越来越多地使用计算机技术，种类繁多，价格、性能差异很大。
在各种类信号发生器中，三角波信号发生器是最普通的一类。其原因是三角信号容易产生，容易描述又是比较广泛的载波信号。显然，由于信号发生器的性能，被测器件、设备各项性能参数的测量质量，将直接依赖于信号发生器的性能。
如果波形发生器单纯地以单片机89C51为核心而设计，则很难通过滤波电路在示波器上显示出波形图。但近年来随着数字电子技术的飞速发展和电子设计技术的不断提高，可编程逻辑器件(如CPLD、FPGA)的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法，设计过程和设计观念。
1.3 本课题设计内容
本文将介绍的是利用EDA工具软件，VHDL语言设计实现的三角波发生器。该波形发生器主要是通过外部输入信号的不同而引起三角波形幅值的变化。本系统是以FPGA为核心，以单片机为主要控制器件，采用FPGA中的波形发生器控制电路对外来控制信号和高速时钟信号进行分频控制，再通过D／A转换，将数字信号转换为模拟信号，从而可在示波器上显示出三角波形。
本设计主要是依靠功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，对以硬件描述语言VHDL为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化和仿真，直至下载到可编辑逻辑器件FPGA芯片中，实现既定地电子电路设计功能。通过EDA软件平台来完成对系统硬件功能地实现，极大地提高了设计效率，缩短了设计周期，节省了设计成本。如图1-1所示(是设计的方框图)
2.1 硬件选择
2.1.1 EDA处理模块
方案1：FPGA部分采用EPFl0K30器件，用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速的频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。更重要的是，这种方法只能实现正弦波，或者进而进行积分、微分等方法实现方波、三角波等标准波形，而对于我们所要求的任意波形却无法实现。
方案2：FPGA部分采用EPFl0K30器件。利用锁相环，将压控振荡器的输出频率锁定在所需频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换的时间较长。而且，由模拟方法合成的三角波的参数，如幅度、频率和占空比都很难控制。除此之外，同方案1类似，此方案也无法实现任意频率的波形的输出。
方案3：FPGA部分采用EPFl0K30器件。用64个点来构成这个三角形，由键盘输入的数值来改变三角形的频率、幅度、占空比的变化，经D／A转换，在示波器上可得所需波形。这样去设计具有相对带宽很宽，频率转换时间极短，频率分辨率可以做到很高等优点；另外，全数字化结构便于集成，输出频率、幅度、占空比均可实现程控，而且理论上能够实现任意频率的三角波波形，可以全面的满足本题目的要求。因此采用此种方案。
2.1.2 单片机键盘显示处理模块
方案：用单片机AT89C51直接与按键相连，串口接LED显示电路。此种方法硬件电路简单易懂。
2.2 用Protel制图的基本操作
电路原理图的设计过程一般可以按照图2-1所示的流程图进行
具体说来可以分为以下的步骤：
(1)设置图纸：根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小，设置图纸的过程实际是一个建立工作平面的过程。
(2)放置元件：这个阶段，就是用户根据实际电路的需要，从元件库里取出所需的元件放置到工作平面上。用户可以根据元件之间的走线等联系对元件在工作平面上的位置进行调整、修改，并对元件的编号、封装进行定义和设定等，为下一步工作打好基础。
(3)原理图的布线：该过程实际就是一个画图的过程。用户利用Protel DXP提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的电路原理图。