【文章內(nèi)容簡介】 波器設計，而且能完成 DSP 高級數(shù)據(jù)處理功能，因而 FPGA 在現(xiàn)代通信領域方面獲得廣泛應用。在產(chǎn)品設計與制造方面，從高性能的微處理器、數(shù)字信號處理器，一直到彩電、音響和電子玩具電路等， EDA技術不單是應用于前期的計算機模擬仿真、產(chǎn)品調(diào)試，而且也在電子設備的研制與生產(chǎn)、電路板的焊接等方面有著重要的作用?？?以說電子 EDA技術已經(jīng)成為電子工業(yè)領域不可缺少的技術支持 [12]。 8 21 世紀將是 EDA 技術的高速發(fā)展階段。隨著科技的進步，電子產(chǎn)品的更新日新月異，EDA 技術作為電子產(chǎn)品開發(fā)研制的源動力，已成為現(xiàn)代電子設計的核心，每年都有新的 EDA工具問世。然而， EDA技術在我國尚未普及，應用的水平長期落后于發(fā)達國家。因此，作為高等院校有關專業(yè)的學生和廣大的電子工程師了解和掌握這一先進技術已勢在必行，這不僅是提高設計效率的需要，更是我國電子工業(yè)在市場上生存、競爭與發(fā)展的需求。掌握和普及這一全新的技術，將對我國電子技術的發(fā)展具 有深遠的意義。 EDA技術的每一次進步 ， 都引起了設計層次上的一個飛躍。物理級設計主要指 IC版圖設計，一般由半導體廠家完成，對電子工程師并沒有太大的意義，因此本文重點介紹電路級設計和系統(tǒng)級設計。 DDS 技術的發(fā)展背景、意義及近年來的國內(nèi)外發(fā)展概況 DDS 技術的發(fā)展背景、意義 在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，經(jīng)常要用一些信號作為測量基準信號或輸出信號。隨著工業(yè)的發(fā)展，對信號的保真度、頻率的穩(wěn)定性和準確性、幅值的穩(wěn)定性提出了越來越高的要求，作為電子系統(tǒng)必不可少的組成部分的信號源，在很大程度上決定了系統(tǒng)的性 能，因而常稱之為電子系統(tǒng)的“心臟”。傳統(tǒng)的信號源采用振蕩器，只能產(chǎn)生少數(shù)幾種波形，自動化程度較低，且儀器體積大、靈活性與準確度差。而現(xiàn)在要求信號源能產(chǎn)生波形的種類多、頻率高，而且還要體積小、可靠性高、操作靈活、使用方便及可由計算機控制。所以要實現(xiàn)高性能的信號源，必須在技術手段上有新的突破。 隨著計算機、數(shù)字集成電路和微電子技術的發(fā)展，頻率合成技術有了新的突破 — 直接數(shù)字頻率合成技術，它是將先進的數(shù)字信號處理理論與方法引入到信號合成領域的一項新技術，它的出現(xiàn)為進一步提高信號的頻率穩(wěn)定度提供了新的解決方法。同時， 隨著微電子技術的迅速發(fā)展，尤其是微控制器的發(fā)展，智能儀器也有了新的進展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不斷提高。 頻率合成就是通過參考源產(chǎn)生高精度新的頻率信號，其輸出指標，尤其是精度方面，取決于參考源。頻率合成技術的理論形成于二十世紀三十年代左右，從早期的直接模擬頻率合成技術 (DAS)到第二代鎖相環(huán)頻率合成技術 (PLL)，直到目前較先進的直接數(shù)字式頻率合成技術 (DDS一 erictdigiatlsnyhtesiezr)，經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，下面分別作一下介紹 : （ 1）直接模擬合成 DAS是用硬件對高穩(wěn) 定的參考源頻率進行加、減、乘、除得出所需頻率，可實現(xiàn)快速頻率轉換、高頻率分辨率。其優(yōu)點是輸出頻率高，頻率切換速度快，輸出相位噪聲低。但由于采用大量模擬電路，電路復雜，容易產(chǎn)生過多的諧波和雜散分量，大多數(shù)硬件的非線性影響無法濾除。不穩(wěn)定因素多，難以實現(xiàn)集成化。 （ 2）波形產(chǎn)生的第二個里程碑是基于鎖相環(huán) (PLL)技術的函數(shù)發(fā)生器的開發(fā)。鎖相環(huán)技術伊 LLPhaseLokcdeLooP)，它是一種間接的頻率合成方法，即把一個或多個基準頻率源，通過諧波發(fā)生器、混頻和分頻等一系列非線性器件，產(chǎn)生大量的諧波或組合頻率，然 后用鎖相環(huán)把壓控振蕩器 (VCO)的頻率鎖定在某一組合頻率上，由壓控振蕩器間接產(chǎn)生所需要的頻率輸出。它的優(yōu)點在于可以很好的選擇所需頻率的信號，抑制雜散分量，并且避免了大量使用濾波器，結構簡單，利于集成化，但系統(tǒng)固有的惰性限制了頻率轉換的速度，頻率間隔不能做得很小，且系統(tǒng)內(nèi)插入的壓控振蕩器帶來了新的噪聲比較大的問題。 （ 3）直接數(shù)字頻率合成 (DD)s是一種基于波形存儲的頻率合成技術，綜觀整個 DDS技術的發(fā)展歷程，我們把它大體上分為三個階段 : 1)加世紀 70年代，這個時期美國人 .J五 emcy 提出了 DDs的概念和主 要原理 112]，引 9 起了國際學術界的廣泛重視，許多人開始接觸全新的 DDs技術。但由于當時的工藝和技術原因， DDS技術遠遠不能夠達到實用，這個時期的發(fā)展十分緩慢。 2)20世紀 80~%年代，學術界掀起了對 DDS 譜質(zhì)進行研究的熱潮。許多學者開始從理論上研究 DDS 輸出雜散較大這一阻礙其發(fā)展的瓶頸問題。 Nicholas 建立了雜散信號模型，對DDS相位截斷引起的雜散進行了深入的探討，并以數(shù)論為基礎得到了一些有益的結論。隨后，Gvarye和 Bbatihc從波形分析角度、 KroPua從傅氏角度都進行了類似的討論。在深入研究 、認識了 DDS雜散成因及其分布規(guī)律后，對 DDS雜散抑制的成果便不斷出現(xiàn)。其中包括對 DDS相位累加器的改進、 ROM數(shù)據(jù)壓縮、抖動注入技術的使用、利用擾碼來抑制雜散以及對 DDS工藝結構和系統(tǒng)結構的改進等等。這一階段， DDS的理論基礎更加完善，一些 DDS技術的關鍵問題被解決。 3)20世紀 90年代至今，由于理論上的完善、工藝的提高、以及實現(xiàn)方式的簡便化，促成了 AD、 Qualoc~和 SotLnofdr等公司一系列性能優(yōu)良的 DDS器件不斷出現(xiàn)，一些芯片的工作頻率可達 1GHz，頻率分辨率可達 mllz，排除 DAC限制，雜 散指標可達一 70db以下。利用這些專用芯片，惠普、泰克等公司開始研制基于 DDS的各種信號源?？梢哉f， DDS技術到了一個空前繁榮的歷史時期。 DDS 技術之所以如此倍受矚目，因為它有許多優(yōu)點。與傳統(tǒng)頻率合成技術相比， DDS具有以下幾個突出的優(yōu)點： (1)極高的頻率分辨率 由△ f=fmin=fc/2N可知，只要增加相位累加器的位數(shù) N即可獲得任意小的頻率調(diào)諧步進。大多數(shù) DDS的分辨率在 Hz， mHz‘甚至 uHz的數(shù)量級。 (2)超高速的頻率轉換時間 DDS 是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，頻率轉換時間主要由 LPF 附加的時延來決定。如fc=10MHZ，轉換時間即為 100ns，若時鐘頻率升高，轉換時間將縮短，但不可能少于數(shù)字門電路的延遲時間。目前 DDS的調(diào)諧時間一般在 ns級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。 (3)相位噪聲低、變頻相位連續(xù) DDS系統(tǒng)中合成信號的頻率穩(wěn)定度直接由參考源的頻率穩(wěn)定度決定，合成信號的信號噪聲與參考源的相位噪聲相同。而在大多數(shù) DDS系統(tǒng)應用中，一般由固定的晶振來產(chǎn)生基準頻率，所以其相位噪聲和漂移特性是極為優(yōu)異的。 (4)連續(xù)的相位變化 同樣因 DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，故當一個轉換頻率的 指令加在 DDS的數(shù)據(jù)輸入段時，它會迅速合成所要求的頻率信號，在輸出信號上沒有疊加任何電流脈沖，輸出變化是一個平穩(wěn)的過渡過程，而且相位是連續(xù)變化的，這個特點也是 DDS獨有的。 (5)全數(shù)字化極易實現(xiàn)計算機全自動化控制，集成度高、容易實現(xiàn)小型化。 但由于 DDS的全數(shù)字結構，也帶來了兩個缺點 :輸出雜散較大和輸出帶寬受限。抑制輸出雜散的兩種設計方法 (優(yōu)化波形存儲表和修正 DDS 的結構 )廣泛采用降低了輸出信號的雜散分量，并且隨著微電子技術的進步與技術的改進， DDS輸出帶寬的受限問題己逐步克服。但隨著 DDS輸出帶寬的擴展 ， DAC的非理想特性特別是動態(tài)響應特性對輸出雜散的影響越來越嚴重，因此一段時間內(nèi)這也是一個重要研究課題。 因為 DDS具有的優(yōu)點對于保密通訊，快速電子對抗，多普勒模擬，核磁共振成像，電子測量儀器等領域有極大的吸引力，從而推動著人們對 DDS技術的研究與改進，并取得了很大的成功。特別隨著集成電路制造工藝的改進與提高，目前已有很多公司 (如 AD 公司、 TI 公司、 Qualocmn公司 )都推出了高性能的 DDS專用芯片。而在電子測量儀器領域，由于采用了DDS技術，使得高精度的標準信號源以及任意波發(fā)生器的電路大大簡化，性能大幅 度提高， 10 并且使儀器制造成本大幅度降低，體積大大縮小。因此，在電子測量儀器領域 DDS技術得到越來越廣泛的使用。有人預言，隨著高速微電子技術的進一步發(fā)展， DDS信號源將成為整個電子工業(yè)界信號源的主流。 DDS 技術近年來的國內(nèi)外發(fā)展概況 運用 DDS 技術生產(chǎn)的 DDS 任意波形信號發(fā)生器及高精度標準函數(shù)信號發(fā)生器在工業(yè)測試、航天電子、國防、高等教育等領域有著極為廣泛的應用，國際知名的專業(yè)電子測量儀器制造商 (如美國的幾 K公司、 AGLINET公司、 FLUKE公司、 LECORY 公司、日本的 1認梢 TLSU公司、 YOKOGA場認公司、 NF公司 )都推出了多系列適于不同用途的高性價比的產(chǎn)品。一些高端的信號發(fā)生器甚至可以產(chǎn)生通訊信號。同時輸出波形的頻率分辨率、頻率精度等指標也有很大的提高。如 HP 公司的 HP33120 可以產(chǎn)生 10mHz15MHZ的正弦波和方波，同時還可以產(chǎn)生 ，任意波形深度 16000點，采樣率 40M，還具備了調(diào)制功能，可以產(chǎn)生 AM、 FM、 FSK、猝發(fā)、掃頻等信號 ]。 HP公司的 HP33250可以產(chǎn)生 1uHz80MHz的正弦波和方波，產(chǎn)生 luHz到 25M的任意波形，任意波形深度 64K點，采樣率 200M。同時也具備了 AM、 FM、 FSK、碎發(fā)、掃頻等功能。 BKPRECIslON公司的 4070A型函數(shù)級任意波形發(fā)生器正弦波和方波輸出頻率 DC一 、頻率分辨率 10mHZ。同時還具有 AM、 FM、 PM、 SSB、 BPSK、 FSK、碎發(fā)、 DTMFGneeratino和 DTMFDeetctino 的功能。并且具有了和 PC機良好的接口，可以通過 WNID0wS界面的程序進行任意波形的編輯。 在國內(nèi)，高精度的標準信號源產(chǎn)品較少且技術落后，可靠性差。并且對 DDS的研究起步較晚，主要還局限于理論和實驗 階段， DDS芯片幾乎還是空白，與國外發(fā)達國家水平相比差距比較大。現(xiàn)有的基于 DDS 技術的函數(shù)發(fā)生器國內(nèi)還處于研制階段 (國外己有產(chǎn)品，如HP33120) 。國 外生 產(chǎn) DDS 芯 片 的公 司較 多 ，目 前國 內(nèi) 主要 使用 美國 A 刀alogdveiecs(AD98xx)、 Qualocm公司 (如 :Q22 Q3216I、 Q233 Q2230C等 )和刀 D公司 (如AD7o08等 )的產(chǎn)品。由于 DDS技術在波形合成方面的種種優(yōu)點，以及隨著國內(nèi)電子、電信 事業(yè)的發(fā)展，對任意波形發(fā)生器的要求的不斷提高，盡快研制出我們自己的相關產(chǎn)品對我國的國防、 科研、教育有著重要的意義。 課題背景 隨著電子技術的發(fā)展，在各類電子系統(tǒng)中，數(shù)字電路所占比重越來越大。當前數(shù)字系統(tǒng)的設計正朝向著速度快、容量大、體積系統(tǒng)行為和功能描述外小、重量輕的方向發(fā)展。目前數(shù)字系統(tǒng)的設計可以直接面向用戶需要，根據(jù)系統(tǒng)的行為和功能要求，自上至下地逐層完成相應的描述、綜合、優(yōu)化、仿真與驗證，直到生成器件。上述設計過程除了，其余所有的設計過程幾乎都可以用計算機來自動地完成，也就是說做到了電子設計自動化（ EDA）。電子設計自動化（ EDA）的關鍵技術之一是要求用形式化方法來描述數(shù)字系統(tǒng)的硬 件電路，即要求用所謂硬件描述語言來描述硬件電路。此技術是一種實現(xiàn)電子系統(tǒng)或電子產(chǎn)品自動化設計的技術，與電子技術、微電子技術的發(fā)展密切相關。 EDA 技術的每一次進步 ,都引起了設計層次上的一個飛躍。 在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術領域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號波形發(fā)生器。函數(shù)發(fā)生器是使用最廣的通用信號源，提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖波等波形，有的還同時具有調(diào)制和掃描功能。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。 11 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學等領域內(nèi)，如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。信號源是用于測量研究的主要儀器。隨著科學技術的發(fā)展，信號源的應用也將更加廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學研究領域中，在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，信號源作為一種校驗設備，需要及時、有效地向采集設備提供高頻信號，用于檢驗數(shù)據(jù)采集器的工作情況；同時信號源還應該能夠提供一些必要的控制信號，用于對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制。從這 個意義上來說，信號源本身的工作應該更穩(wěn)定、可靠；另一方面，小型化、通用化信號源的設計和實現(xiàn)是信號采集系統(tǒng)的必然要求。因此，必須采用先進的設計方法和大規(guī)模可編程邏輯器件加以實現(xiàn)才能適應這種發(fā)展趨勢， CPLD/FPGA等大規(guī)模可編程邏輯器件的發(fā)展和 EDA技術的成熟為此奠定了良好的軟硬件基礎。 國內(nèi)外信號發(fā)生器的發(fā)展狀況 信號發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量標準信號和用戶定義信號，并保證它的高精度和高穩(wěn)定性，可重復行和易操作性的電子儀器。函數(shù)信號發(fā)生器應該具有連續(xù)的相位變換和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復雜信號還 可以對頻率、幅植、波形、相移進行動態(tài)的及時控制。 在 70 年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)信號發(fā)生器介于兩者之間，能夠提供 正弦波、鋸齒波、方波、脈沖波等波形 ，產(chǎn)生其他的波形還得采用復雜的電路和機電結合的方法，這個時期的信號發(fā)生器存在兩個突出的問題，一是通過電位器等的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。 在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、 D/A 轉