项目说明

本项目是一款基于FPGA的廉价多通道函数发生器

 

开源协议

未经作者允许，禁止商用。转载或引用需注明原作者与工程链接,有其他需求请发邮件至Defenver@foxmail.com

 

项目相关功能

本函数发生器实现了以下功能：

• 4通道模拟波形输出，带宽5Mhz，模拟波形刷新率100Mhz，输出精度8bits（MS9708)
• 4通道模拟波形输出频率可调，刷新率步进可达1Khz
• 模拟波形支持负压输出，输出摆幅可达±3V
• 支持输出各种常见波形，频率，幅度可调
• 带有丰富的人机界面，用户可以利用按键快捷的操作函数发生器

性能指标：

• 刷新率1KHz-100Mhz
• 波形输出频率1Hz-10Mhz
• 输出摆幅可达8V@1MHz,4V@10MHz
• 4通道独立同步输出，相位可调
• 4通道可选两路同步时钟源输出
• 支持输出正弦波，方波，三角波，脉冲，直流输出及校准波形
• 内置存储器上电可自动读取上次关机前的波形状态
• 内置温度检测页面可以获取FPGA运行参数
• 成本低至200￥/pcs，用二手料/减配可进一步降低成本

需要注意的是，本函数发生器由于运行功率过高（主要在DA输出部分），不支持USB供电，只支持DC12V供电。

【github代码仓库】

【bilibili演示视频】

项目属性

本项目为首次公开，为本人原创项目。项目未曾在别的比赛中获奖。

 

项目进度

部分验证成功

• USB3.0，射频源电路设计出错。由于不对设计指标造成影响，可删除
• 电流检测电路可删除，实际无多大作用
• 温度检测电路可删除，改为使用FPGA片内检测电路

设计原理

下图为硬件的框图，将依次介绍内容

PCB为4层板设计，大小小于10*10，可免费打板，进一步降低成本

 

电源部分

由于系统的功耗较高，电源此处采用了12V输入的方式，随后使用TPS82130来降压各电源轨。为了考虑到运放的供电，此处选用了TPS65131作为正负电源供电。具体电源树如下。

每一路电源都有严格的时序要求，框图左下角的数字编号代表上电顺序。

需要注意的是，由于未知原因，TPS65131的官方电路是错误的，下为正确的电路图。

FPGA最小系统

本设计选用了XC7A50T-FTG256作为主控芯片，经过实际开发后，可以使用更加廉价的XC7A35T作为主控芯片。

最小系统可以见原理图的第二页，其中包括以下资源：

• • FPGA核心芯片，启动电路
  • BPI存储器
  • JTAG电路

至于核心原理本文不再赘述，可以参考Xilinx的相关手册查阅

DAC及前端电路

DAC实际焊接的型号是MS9708，可利用DAC908作为替代品，后者频率可以大大提高，且分辨率较MS9708要高。

前端运放选用了ADA4861作为放大器，该放大器为三通道高速运放，除了不支持轨到轨特性，可以完美实现设计的需求。前端电路如下

注意，图中电阻不是实际值，实际值请参考note指示进行修改

由于DAC为电流输出放大器，因此需要经过一个跨阻放大器将电流信号转为电压信号。随后输入到一个低通滤波器滤除高频噪声。最后一级放大电路实现了单电源到双电源转换，并外接了一个可调电阻实现偏置微调，实际使用中可使用校准功能来对波形的偏置进行微调。

时钟电路

FPGA的时钟源有两种，一种为固定时钟源，为50M的晶振输出的时钟，还有一种是可调时钟，由MS5351输出。输出频率可通过IIC来调节。

USB3，PLL输出电路

设计出错，不再介绍。用户复刻工程时可不贴器件或删除布线。

LCD电路

屏幕接口为兼容中景园接口定义的8pin接口。实际选用的屏幕为

注意选择ST7789 IC，不带CS的屏幕。螺丝孔位不对齐是正常现象。

软件说明

软件开发平台为vivado 2020.2,未对其他软件版本做兼容。

本设计软件主要利用blockdesign的方式开发，使用Microblaze处理器控制其他外设来实现函数发生器的功能。每个模块通过AXI4-Lite总线和处理器交互，具体实现原理可见RTL。

程序开发是在Vitis开发的，使用C语音实现对应功能的编程来实现具体功能。由于未引入任何屏幕UI库，主函数代码稍微有些繁琐，但与外设操控相关的代码十分简单。由于本人教学能力有限，无法具体介绍程序内容，烦请看客自行查看代码内容。

烧写程序仅需要编译Vitis工程，随后在Vivado生成MCS文件，存储器选用W25Q128，随后使用Hardware Manager烧录对应的二进制文件即可。

操作方法

KEY1-KEY5可控制页面，其中KEY3无作用。

KEY1的作用为选择，按下该按钮可选择光标选择项。

KEY2的作用为上一个，按下该按钮可选择上一选项。

KEY3的作用为下一个，按下该按钮可选择下一选项。

KEY4的作用为退出，按下该按钮可退出当前选择项。

KEY4与KEY5之间有个小按键，该按键为复位按键。

实物展示

设计注意事项

板子前端和FPGA在正常运行时极其耗电，请添加散热片，并且要用一个风扇对着吹，否则会存在过热烧毁的可能。

 

其他

由于RTL代码使用了ADI的源码，根据协议，本工程及派生工程需遵循GPL2.0协议。