【文章內(nèi)容簡介】 連， VXI 模塊儀器對組成自動測試系統(tǒng)特別有用，各個公司的 VXI 卡式儀器模塊可以自由組合使用。 從發(fā)展?fàn)顩r來看， 國外 任意波形發(fā)生器 的研制及生 產(chǎn) 技術(shù)已經(jīng)較為成熟 。 以安捷倫（ Agilent）和泰克（ Tektronix） 為代表的國際電子測量儀器公司 在此領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的研究和開發(fā)，其產(chǎn)品無論在技術(shù)上還是市場占有率方面在國際上都享有盛譽(yù) ，但其價格也是相當(dāng)昂貴 ，高端型號每臺價格都在幾萬美金左右，低端的也要幾萬人民幣 。 Tektronix 公司的獨(dú)立 結(jié)構(gòu) 任意波形 發(fā)生器 AFG3000 系列 功能完善，人機(jī)界面友好，操作方便，可以以多種方式連接到 PC 機(jī) 上，其 最高采樣率能達(dá)到 2GS/s，輸出信號最高頻率為 240MHz， 任意波頻率 50MHz， 并配備的強(qiáng)大的波形編輯軟件 ArbExpress，用戶可以 方面地 創(chuàng)建和編輯 自己的 波形 。Agilent 公司的 PXI 模塊 任意波形 發(fā)生器采樣率 已經(jīng)能達(dá)到 ，最高輸出頻率 500MHz。 我國研制任意波形發(fā)生器是從上世紀(jì) 90 年代開始的 ，近年來有一批本土廠商奮起直追，并取得了可喜的成果。 例如 南京盛普科技電子有限公司的基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) 4 SPF120型信號發(fā)生器的主波輸出頻率達(dá)到了 120MHz，任意波 最高 頻率 為 100KHz；北京普源精電 科技有限公司 （ RIGOL）生產(chǎn)的 DG1000/2020/3000 系列任意波形發(fā)生器，在性能上已經(jīng)大略相當(dāng)于國外中低端產(chǎn)品。 課題 研究 目標(biāo) 從國內(nèi)已有的成熟的任意波形發(fā)生器產(chǎn)品來看，無論是從種類、性能還是生產(chǎn)規(guī)模上均與國外同類產(chǎn)品存在較大差距。因此，加緊任意波形發(fā)生器相關(guān)技術(shù)的研究仍然非常必要，對發(fā)展我國電子行業(yè)也有著非常重要的影響，并且具有廣闊的發(fā)展前景，若能與國外同類產(chǎn)品保持在性價比上的優(yōu)勢，將可以打破國外的技術(shù)和市場壟斷地位。 如何降低任意波形發(fā)生器的成本，并提高其性能指標(biāo)是本課題研究的重點(diǎn)。本課題結(jié)合 DDS 技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、 總線接口技術(shù)，并借助 FPGA 可編程邏輯實(shí)現(xiàn)一 款 低成本、便攜式、可擴(kuò)展的 虛擬 任意波形發(fā)生器。在學(xué)習(xí)、借鑒國外先進(jìn)技術(shù)的同時，研究、掌握 利用 DDS 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)的 任意波形發(fā)生器的基本組成和關(guān)鍵技術(shù)，為研制高性能多通道任意波形發(fā)生器打下堅實(shí)的基礎(chǔ)，為早日實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)任意波形發(fā)生器達(dá)到世界先進(jìn)水平而努力。 本課題研究的任意波形發(fā)生器主要有以下性能指標(biāo)： （ 1） 通道數(shù)： 2 個，一個作為輸出通道，一個作為外輸入調(diào)制通 道； （ 2） 輸出波形：正弦波、占空比可調(diào)方波、三角波、鋸齒波、噪聲以及用戶自定義波形； （ 3） 調(diào)制性能：調(diào)幅 、調(diào)頻 、 幅移鍵控 、 頻移鍵控 、 相移鍵控 ； （ 4） 波形容量： 4K； （ 5） 幅值 分辨率： 10bits； （ 6） 頻率分辯率： ； （ 7） 頻率范圍：正弦波， ~50MHz，任意波 ~5MHz； （ 8） 負(fù)載能力： 50Ω177。10%； （ 9） 幅度范圍： 3V~+3V； （ 10） 偏置范圍 ： ~+； （ 11） 頻率準(zhǔn)確度： ≤177。% 在功能上，該虛擬信號發(fā)生器可以作為函數(shù)信號發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器 使用，具有良好的人機(jī)界面，能夠產(chǎn)生各種常規(guī)波形，還能產(chǎn)生由用戶生成的任意波形。 第一章 緒論 5 主要研究工作及論文內(nèi)容安排 本文 主要研究基于 FPGA 的任意波形發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，在分析研究 DDS基本原理的基礎(chǔ)上開發(fā)出了任意波形發(fā)生器的硬件平臺和軟件界面。 本文實(shí)現(xiàn)的任意波形發(fā)生器既具有虛擬儀器成本低、可擴(kuò)展、靈活性強(qiáng)、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，又具備傳統(tǒng)臺式任意波形發(fā)生器的優(yōu)良性能，能夠產(chǎn)生各種常規(guī)波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，也能產(chǎn)生用戶自定義的任意波形，另外它還可以產(chǎn)生噪聲信號和調(diào)幅、調(diào)頻及多種數(shù)字調(diào)制信號。 本論文共分 七 章，各章內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，簡要介紹本文研究工作的發(fā)展 現(xiàn)狀 、目的和意義 以及課題研究的目標(biāo)； 第二章詳細(xì)分析了 DDS 的基本原理及其輸出信號的頻譜結(jié)構(gòu)，介紹了 DDS頻譜特性改進(jìn)技術(shù)； 第三章 描述任意波形發(fā)生器的設(shè)計方案和總體結(jié) 構(gòu)，并對各個模塊硬件電路進(jìn)行了設(shè)計； 第四章介紹了基于 FPGA 的控制模塊、 DDS 波形發(fā)生模塊和調(diào)制模塊的具體設(shè)計 以及 DDS 雜散抑制技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)； 第五章介紹了波形發(fā)生器的軟件設(shè)計，從固件代碼、驅(qū)動程序及用戶程序三個方面進(jìn)行了說明； 第六章對本文設(shè)計的任意波形發(fā)生器的具體性能測試作了說明 ； 第七章對本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并指明了該課題進(jìn)一步的研究方向。 第二章 任意波形發(fā)生器的理論分析 7 第二章 任意波形發(fā)生器的理論分析 頻率合成技術(shù) 及性能指標(biāo) 所謂頻率合成技術(shù)是指以一個或者多個 高精確度和 高穩(wěn)定度 的 頻率參考 信號源為基準(zhǔn)， 在某一頻段內(nèi) ， 綜合產(chǎn)生多個工作頻率點(diǎn)的 技術(shù)。頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生頻率源的一種現(xiàn)代化手段， 在通信、 雷達(dá)、 導(dǎo) 航、廣播電視、電子偵察、電子干擾與反干擾 及現(xiàn)代儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用。依據(jù)頻率合成原理制成的頻率源稱為頻率合成器。 對頻率合成器的基本要求是既要合成所需頻率，又要保證信號的純凈。 綜合來 看，衡量頻率合成器的主要性能指標(biāo) [4]為： （ 1） 輸出頻率范圍 輸出頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率 minof 和輸出最高頻率 maxof 之間的變化范圍 。 max minooff? 越大，頻率合成器的輸出頻率范圍越寬，有時候也用相對帶寬 f? 來衡量 其輸出頻率范圍： m a x m i n m a x m i nm a x m i n m a x m i n2 ( )1 0 0 % 1 0 0 %( ) / 2o o o oo o o of f f ff f f f f??? ? ? ? ??? 式 (21) （ 2） 頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度指在 在規(guī)定的時間 間隔內(nèi)，頻率合成器的實(shí)際輸出頻率與頻率標(biāo)定值偏差的數(shù)值，可分為長期、短期和瞬時穩(wěn)定度。 （ 3） 頻率分辨率 頻率合成器的輸出頻譜通常是不連續(xù)的。 頻率分辨率指兩個輸出頻率之間的最小間隔 。 （ 4） 頻率 切換 時間 頻率 切換 時間指輸出頻率由一個頻率 切換 到另一個頻率 并達(dá)到穩(wěn)定工作 所需的時間。該指標(biāo)與頻率合成所 采 用的技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。 （ 5） 頻譜純度 頻率合成技術(shù)中常常提到的一個指標(biāo)就是頻譜純度，頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來衡量。雜散又稱寄生信號，分為諧波分量和非諧波分量，主要由頻率合成 過 程 中的非線性失真產(chǎn)生，也有頻率合成器內(nèi)外干擾的影響，還與頻率合成方式有關(guān)；相位噪聲是 是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示，在頻譜上表現(xiàn)為主譜兩邊連續(xù)噪聲邊帶。頻譜純度是衡量頻率合成器質(zhì)量的一個重要指標(biāo) 。 （ 6） 調(diào)制性能 調(diào)制性能是指頻率合成器的輸出是否具有 調(diào)幅、調(diào)頻 、 調(diào)相 、 幅移鍵控、頻基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) 8 移鍵控、相移鍵控 、 掃頻、猝發(fā)等功能。 頻率合成理論 [5]形成于 20 世紀(jì) 30 年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了三代技術(shù)變革。 第一代：直接頻率合成技術(shù)。直接頻率合成是一種早期的頻率合成技術(shù)，它利用一個或者多個不同的晶體振蕩器作為基準(zhǔn)頻率源，經(jīng)過倍頻、分頻、混頻及模擬開關(guān) 等途徑 直接組合出 多個離散頻率的輸出信號 。 晶振1晶振2晶振n開關(guān)開關(guān)濾波器開關(guān) 濾波器組控制信號1f2fnf f開關(guān) 圖 直接頻率合成 原理 框圖 圖 是直接頻率合成的一種示例。在這種頻率合成技術(shù)中，由控制信號選擇不同輸入信號進(jìn)行混頻，在頻率合成器的輸出端可以得到任意一個輸入頻率的頻率值，或者任意兩個或兩個以上頻率的和頻或差頻。 這種方法得到的信號長期和短期穩(wěn)定度高，頻率切換速度快，但是大量混頻器和濾波器的使用使大規(guī)模集成不可能，因而體積大、功耗大、調(diào)試難度大，并且雜散抑制不 易 做好。目前仍有些雷達(dá)信號的產(chǎn)生采用此方法。 第二代： 鎖相頻率合成技術(shù)。 鎖相頻率合成也稱間接頻率合成，是 20 世紀(jì)50 年代出現(xiàn)的頻率合成技術(shù)。 它是利用一個或者幾個參考頻率源，通過諧波發(fā)生器混頻或分頻，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（ Votage Controlled Oscillator， VCO） 的輸出頻率鎖定在某一諧波或者組合頻率上，由 VCO間接產(chǎn)生所需頻率輸出信號。 鑒相器 環(huán)路濾波器 壓控振蕩器分頻器247。N參考頻率 參考頻率ofofNrf 圖 鎖相環(huán)頻率合成原理框圖 圖 是鎖相環(huán)頻率合成框圖 ，它的工作原理為：參考頻率提供基準(zhǔn)頻率 rf ，第 二 章 任意波形發(fā)生器的理論分析 9 VCO 輸出頻率 of 經(jīng)分頻器分頻后為 /ofN，此信號與輸入?yún)⒖夹盘栐阼b相器中進(jìn)行相位比較，鑒相器輸出兩個信號的相位誤差信號，再經(jīng)過環(huán)路濾波器送到 VCO，調(diào)整 VCO 的輸出頻率使得 /orf N f? ，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。若想改變輸出頻率，可以通過輸入?yún)⒖碱l率 rf 或者改變分頻器的分頻比 N 來實(shí)現(xiàn)。如果固定參考頻率rf 不變，則 VCO 的輸出頻率是隨 N 變化的一組不連續(xù)的頻率，其值是 rf 的整數(shù)倍。 rf 的值就是頻率合成器的輸出固定頻率分辨率 of? 。 由此可見，鎖相環(huán)頻率合成器實(shí)際上是一個反饋系數(shù)可變的誤差反饋控制系統(tǒng)。這種頻率合成方法的優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高，雜散抑制好，頻譜純度高，電路簡單可靠，調(diào)試簡便 。鎖 相 頻率合成的這些優(yōu)點(diǎn)使其具有廣泛的用途，其中一個重要的應(yīng)用方向是用高穩(wěn)定的參考頻率振蕩器作為參考 時鐘 使用環(huán)路鎖定，以提供一系列高純，高穩(wěn)定度的頻率源。 但是鎖 相頻率合成存在一個問題：在改變鎖相頻率合成器的輸出頻率時，由改變 N 導(dǎo)致失鎖到頻率重新鎖定需要一個轉(zhuǎn)換時間 sT ，而經(jīng)過前面的分析可知，為了提高其頻率合成的分辨率，需要減小參考頻率 rf ，而這與頻率轉(zhuǎn)換時間是相矛盾的。根據(jù)工程中的經(jīng)驗(yàn)公式： 25srT f? 式 (22) 由上式可以看出，頻率轉(zhuǎn)換時間 sT 與參考頻率 rf 成反比。 提高頻率分辨率要以增加頻率切換時間為代價。目前解決這一問題的辦法是采用小數(shù)分頻合成方法。但總的來看，鎖相頻率合成引入了閉環(huán)系統(tǒng)，其頻率切換速度比直接合成技術(shù)慢。在頻率轉(zhuǎn)換速度要求不高，但對相位噪聲、雜散要求高的場合，鎖相頻率合成技術(shù)仍有著特殊的優(yōu)勢。 第三代：直接數(shù)字頻率合成（ DDS） [6]技術(shù)。 DDS 技術(shù)的出現(xiàn)是頻率合成技術(shù)的一次重大變革， 它 突破了前兩代頻率合成技術(shù)的原理， 從 “ 相位 ” 的概 念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。 DDS 的原始結(jié)構(gòu)可以表示 為圖 的形式： 地址計數(shù)器波形存儲器數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器程控時鐘輸出cfof 圖 DDS 原始結(jié)構(gòu) 圖 所示是 DDS 的最初結(jié)構(gòu)，這是一種基于數(shù)字存儲器的波形產(chǎn)生系統(tǒng)，又被稱做數(shù)字波形存儲直讀法或者直接數(shù)字波形合成 （ Direct Digital Waveform Synthesis， DDWS） 。這種結(jié)構(gòu)利用可程控的 時鐘 信號作為地址計數(shù)器的計數(shù)時鐘，基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計與 實(shí)現(xiàn) 10 地址計數(shù)器的輸出作為波形存儲器的掃描地址， 波形存儲器輸出相應(yīng)地址的數(shù)字幅度序列，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬階梯波形，最后通過低通濾波器平滑濾波得到最后的輸出波形（ 對 DDS 結(jié)構(gòu)詳細(xì)說明請參照本章第 2 節(jié) ）。 假定地址計數(shù)器的時鐘頻率為 cf ，波形存儲器內(nèi)存有波形一周期內(nèi)的 n 個采樣值，那么合成的波形頻率為： co ff n? 式 (23) 可見，采用圖 結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率合成 ，輸出信號的的頻率必須通過更改參考時鐘頻率或者修改波形存儲中的數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)來實(shí)現(xiàn)。通過進(jìn)一步的研究，人們提出了一種更為靈活的 DDS 結(jié)構(gòu)，圖 所示是 基于相位累加器的 DDS 改進(jìn)模型。 相位累加器波形存儲器數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器參考時鐘輸出cfof頻率控制字K 圖 DDS 改進(jìn)結(jié)構(gòu) 為了區(qū)分它跟 DDWS 的不同，我們將這種結(jié)構(gòu)稱為直接數(shù)字頻率合成（ Direct Digital Frequency Synthesis， DDFS）。 這種結(jié)構(gòu)用相位累加器取代了原來的地址計數(shù)器，使得輸出頻率的控制變得更加簡便，只需要通過修改頻率控制字就能實(shí)現(xiàn)。隨著對 DDS 技術(shù)研究和工程應(yīng)用的不斷深入， DDFS 已經(jīng)逐漸成為 DDS 的主流結(jié)構(gòu)，以至于人們習(xí)慣于用 DDS 來特指 DDFS。 DDS 具有很高的頻率分辨率、初始相位可控及頻率切換時間快等突出優(yōu)點(diǎn)，但同時存在比較嚴(yán)重的雜散 。通過對 DDS 雜散形成機(jī)理及特點(diǎn)的深入研究，人們提出了一系列改進(jìn)措施，大大提高了其輸出信號的雜散指標(biāo)。 DDS 另外一大優(yōu)勢在于它能方便的產(chǎn)生任意波形，在具體應(yīng)用中，只需要修改波形存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)即可。在綜合考慮 DDS 技術(shù)的這些優(yōu)勢后，本設(shè)計決定采用 DDS 來實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器，同時引入改進(jìn)措施