【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡以及新近開(kāi)發(fā)的 VXI 模塊。由于 VXI 總線的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI 系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生復(fù)雜的波形， VXI 的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開(kāi)發(fā) VXI 模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專門的 VXI 機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI 模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大型領(lǐng)域。在民用方面， VXI 模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺(tái)式儀器更為方便。 ，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來(lái)。不過(guò)現(xiàn)在新的臺(tái)式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺(tái)式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價(jià)格，都比過(guò)去的類似產(chǎn)品減少了一半。 國(guó)外波形發(fā)生器產(chǎn)品介紹 早在 1978 年，由美國(guó) Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為5MHz，可以形成 256 點(diǎn) (存儲(chǔ)長(zhǎng)度 )波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為 8bit，主要用于振動(dòng)、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號(hào)源。經(jīng)過(guò)將近 30 年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、 電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高，其變得操作越來(lái)越簡(jiǎn)單，而輸出波形的能力越來(lái)越強(qiáng)。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 本設(shè)計(jì)的主要工作 本文在廣泛收集相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)進(jìn)行了深入研究，采用可編程邏輯器件完成了本次設(shè)計(jì)。主要工作如下： FPGA 的 DDS 模塊設(shè)計(jì) 采用 Altera 公司的的 EP2C35F672C8 芯片作為產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)的主芯片，通過(guò)硬件編程徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn) DDS 模塊電路，這部分 工作需要熟悉 DDS 原理， FPGA 的開(kāi)發(fā)流程， Verilog 語(yǔ)言編程以及 QuartusⅡ開(kāi)發(fā)環(huán)境。 利用硬件編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)乘法器，實(shí)現(xiàn)波形的幅度調(diào)制功能。 ROM 設(shè)計(jì) ROM 的初始化文件設(shè)計(jì)，利用 MegaWizard PlugIn Manager 定制正弦信號(hào)數(shù)據(jù) ROM。 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 2 系統(tǒng)基本原理 函數(shù) 信號(hào) 發(fā)生器的幾種實(shí)現(xiàn)方式 任意波形發(fā)生器 的 實(shí)現(xiàn)方案主要有程序控制輸出、 DMA 輸出、可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址和直接數(shù)字頻率合成等多種方式。 程序控制輸出方式 計(jì)算機(jī)根據(jù) 波形的函數(shù)表達(dá)式，計(jì)算出一系列波形數(shù)據(jù)瞬時(shí)值，并定時(shí)地逐個(gè)傳送給D/A 轉(zhuǎn)換器，合成出所需要的波形。這種方式具有電路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)。但數(shù)據(jù)輸出定時(shí)不準(zhǔn)確，會(huì)影響信號(hào)的頻率和相位。波形數(shù)據(jù)輸出依靠指令的執(zhí)行來(lái)完成，當(dāng)需要同時(shí)輸出多個(gè)信號(hào)時(shí)，相鄰信號(hào)通道的輸出存在時(shí)間差，受計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的限制，輸出信號(hào)的頻率較低。 DMA 輸出方式 DMA(direct memory aecess)方式輸出不依賴于程序的執(zhí)行，由 DMA 控制器申請(qǐng)總線控制權(quán)，通過(guò)地址總線給出存儲(chǔ)器的地址信號(hào)，同時(shí)選通存儲(chǔ)器和 D/A 轉(zhuǎn) 換器，在兩者之間建立直接的數(shù)據(jù)通道，使存儲(chǔ)器相應(yīng)單元中的波形數(shù)據(jù)傳送給 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出信號(hào)。 DMA 方式輸出信號(hào)，可以大大提高信號(hào)的數(shù)據(jù)輸出速率。但也存在一些問(wèn)題，如波形輸出期間，微處理器因?yàn)槭チ丝偩€控制權(quán)，無(wú)法進(jìn)行其他操作。在一個(gè) DMA 操作中，只能在一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器之間傳送數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)輸出。 可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址方式 采用可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址波形存儲(chǔ)器表，該方法是一種傳統(tǒng)型任意波形發(fā)生器。原理框圖如圖 21 所示。 可 變 時(shí) 鐘 源 計(jì) 數(shù) 器 波 形 存 儲(chǔ) 器 D / A 轉(zhuǎn) 換 器 低 通 濾 波 器 圖 21可變時(shí)鐘計(jì)數(shù)器尋址的任意波形發(fā)生器 圖中的計(jì)數(shù)器實(shí)際上是一個(gè)地址發(fā)生器，計(jì)數(shù)器的觸發(fā)時(shí)鐘脈沖由一個(gè)頻率可以控制的頻率發(fā)生器產(chǎn)生，通過(guò)改變頻率發(fā)生器的頻率設(shè)置值，實(shí)現(xiàn)調(diào)整計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的地址變化速率，從而改變輸出的任意波形的頻率。計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的地址碼提供讀出存儲(chǔ)器中波形數(shù)據(jù)所需要的地址信號(hào)，波形數(shù)據(jù)依次讀出后送至高速 D/A 轉(zhuǎn)換器，將之轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，經(jīng)低通濾波器后輸出所需的波形?？梢?jiàn)傳統(tǒng)的任意波形發(fā)生器采用可變時(shí)鐘和計(jì)數(shù)器尋址波形存儲(chǔ)器表，此方法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的地址連續(xù)，輸出波形質(zhì)量高。但其取樣時(shí)頻率較高，對(duì)硬件的要求也較高，而且常需多級(jí)分頻或采用高性能的鎖相環(huán)，其中分頻式的任意波形發(fā)生器頻率分辨率低，鎖相式的任意波形發(fā)生器頻率切換速度慢。 直接數(shù)字頻率合成方式 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 DDS(direct digital synthesizer)是在一組存儲(chǔ)器單元中按照信號(hào)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸出次序存儲(chǔ)了將要輸出波形的數(shù)據(jù)，在控制電路的協(xié)調(diào)控制下，以一定的速率，周而復(fù)始地將波形數(shù)據(jù)依次發(fā)送給 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào)。由于用硬件電路取代了計(jì)算機(jī)的控制，信號(hào)輸出穩(wěn)定度高。如需更新輸出信號(hào)，不必改動(dòng)任何線路和元器件，只需改寫存 儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)即可。更主要的是，可以將微處理器從信號(hào)輸出的負(fù)擔(dān)中解脫出來(lái)。如圖22 為其工作流程圖。 頻 率 信 號(hào) 源 頻 率 控 制 地 址 發(fā) 生 器 D / A 轉(zhuǎn) 換 濾 波 器波 形 存 儲(chǔ) 器頻 率 設(shè) 置波 形 數(shù) 據(jù) 設(shè) 置 圖 22直接數(shù)字頻率合成方式的任意波形發(fā)生器 基于對(duì)函數(shù) 信號(hào) 發(fā)生器的幾種實(shí)現(xiàn)方式的了解，本文選擇方便調(diào)頻、調(diào)幅的直接頻率合成 DDS 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。 頻率合成器簡(jiǎn)介 頻率合成技術(shù)概述 頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，它作為電子系統(tǒng)的“心臟”，在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航、儀器儀表等許多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。頻率合成 理論早在 30年代就開(kāi)始提出，迄今為止已有 70 年的發(fā)展歷史。所謂的頻率合成就是將一個(gè)高精度和高穩(wěn)定度的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率，經(jīng)過(guò)混頻、倍頻與分頻等對(duì)它進(jìn)行加、減、乘、除的四則運(yùn)算，最終產(chǎn)生大量的具有同樣精確度和穩(wěn)定度的頻率源。頻率合成大致經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：直接頻率合成、采用鎖相技術(shù)的間接頻率合成、直接數(shù)字頻率合成。 早期的頻率合成方法稱為直接頻率合成。它利用混頻器、倍頻器、分頻器與帶通濾波器來(lái)完成四則運(yùn)算。直接頻率合成能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換、幾乎任意高的頻率分辨力、低相位噪聲及很高的輸出頻率。缺點(diǎn)是直接合成由于使用了大 量硬件設(shè)備如混頻器、倍頻器、分頻器、帶通濾波器等，因而體積大、造價(jià)高。此外寄生輸出大，這是由于帶通濾波器無(wú)法將混頻器產(chǎn)生的無(wú)用頻率分量濾盡。而且頻率范圍越寬，寄生分量也就越多。而這些足以抵消其所有優(yōu)點(diǎn)。 直接頻率合成技術(shù)的固有缺點(diǎn)在間接頻率合成技術(shù)中得到了很好的改善。間接頻率合徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 成又稱鎖相頻率合成，采用鎖相環(huán)路 (PLL)技術(shù)對(duì)頻率進(jìn)行四則運(yùn)算，產(chǎn)生所需頻率。鎖相環(huán)路 (PLL)是一個(gè)能夠跟蹤輸入信號(hào)相位的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。早在 1932 年 DeBellescize提出的同步檢波理論中首次公布發(fā)表了對(duì)鎖相環(huán)路的描述。 但是由于其復(fù)雜的技術(shù)原理直到 1947 年鎖相環(huán)路才第一次用于電視接收機(jī)水平和垂直的同步掃描。它的跟蹤性能及低噪聲性能得到人們的重視得到迅速發(fā)展。它在無(wú)線電技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了很廣泛的應(yīng)用。但是鎖相頻率合成器也存在一些問(wèn)題，以致難于滿足合成器多方面的性能要求，主要表現(xiàn)在高頻率分辨率與快速轉(zhuǎn)換頻率之間的矛盾。 直接數(shù)字頻率合成即 DDS，它是目前最新的產(chǎn)生頻率源的頻率合成技術(shù)。 這種技術(shù)是用數(shù)字計(jì)算機(jī)和數(shù)模變換器來(lái)產(chǎn)生信號(hào)完成直接數(shù)字頻率合成的辦法，其是目前最新的產(chǎn)生頻率源的頻率合成技術(shù)。 這種技術(shù)是用數(shù)字計(jì)算機(jī)和 數(shù)模變換器來(lái)產(chǎn)生信號(hào)，完成直接數(shù)字頻率合成的辦法或者是用計(jì)算機(jī)求解一個(gè)數(shù)字遞推關(guān)系式，或者是查閱表格上所存儲(chǔ)的波形值。目前用的最多的是查表法。這種合成技術(shù)具有相對(duì)帶寬很寬，頻率切換時(shí)間短 (ns 級(jí) )，分辨率高 (uHz)，相位變化連續(xù)，低相位噪聲和低漂移，數(shù)字調(diào)制功能，可編程及數(shù)字化易于集成，易于調(diào)整等一系列性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為各種電子系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號(hào)源性能的高質(zhì)量的頻率源。目前它正朝著系統(tǒng)化，小型化、模塊化和工程化的方向發(fā)展，性能越來(lái)越好，使用越來(lái)越方便，是目前應(yīng)用最廣泛 的頻率合成器之一。 頻率合成器主要指標(biāo) 信號(hào)源的一個(gè)重要指標(biāo)就是能輸出頻率準(zhǔn)確可調(diào)的所需信號(hào)。一般傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器采用諧振法，即用具有頻率選擇性的正反饋回路來(lái)產(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率信號(hào)，但難以產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。利用頻率合成技術(shù)制成的信號(hào)發(fā)生器，通常被稱為頻率合成器。頻率合成器既要產(chǎn)生所需要的頻率，又要獲得純凈的信號(hào)。頻率合成器的主要指標(biāo)如下： (fmin~fmax)：指的是輸出的最小頻率和最大頻率之間的變化范圍。 ：指的是輸出頻率在一定時(shí) 間間隔內(nèi)和標(biāo)準(zhǔn)頻率偏差的數(shù)值，它分長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)穩(wěn)定度三種。 ：指的是輸出頻率的最小間隔。 ：指的是輸出由一種頻率轉(zhuǎn)換成另一頻率的時(shí)間。 ：頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來(lái)衡量，雜散分量為諧波分量和非諧波分量?jī)煞N，主要由頻率合成過(guò)程中的非線性失真產(chǎn)生，相位噪聲是衡量輸出信號(hào)相位抖動(dòng)大小的參數(shù)。 ：指的是頻率合成器是否具有調(diào)幅 (AM)、調(diào)頻 (FM)、調(diào)相 (PM)等功能。 DDS 原理 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 DDS 是一種全數(shù)字的頻率合成方法，其基本結(jié)構(gòu)主要由相位累加器、波形 ROM、 D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器四個(gè)部分構(gòu)成，如圖 23 所示。 相 位 累 加 器 波 形 R O M D / A 轉(zhuǎn) 換 器 低 通 濾 波 器Nf oKf c 圖 23 DDS結(jié)構(gòu)原理圖 相位累加器 相位累加器由一個(gè) N 位的加法器和一個(gè) N 位的寄存器構(gòu)成，通過(guò)把上一個(gè)時(shí)鐘的累加結(jié)果反饋回加法器的輸入端而實(shí)現(xiàn)累加功能。從而使輸出結(jié)果每一個(gè)時(shí)鐘周期遞增 K。這里 N 為相位累加器的字長(zhǎng)， K 稱為頻率控制字。相位累加器結(jié)構(gòu)如圖 24 所示。 加 法 器 寄 存 器KN 位NN 位相 位 量 化 序 列f c 圖 24相位累加器結(jié)構(gòu) 其中，相位累加器字長(zhǎng)為 N， DDS 控制時(shí)鐘頻率為 fc，頻率控制字為 K。 DDS 直接從“相位”的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。相位累加器由加法器與累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖 fc，加法器將頻率控制字 K 與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器的溢出頻率就是 DDS 輸出的信號(hào)頻率。 DDS 的核心就是相位累加器，利用它來(lái)產(chǎn)生信號(hào)遞增的相位信息，整個(gè) DDS 系統(tǒng)在統(tǒng)一的參考時(shí)鐘下工作，每個(gè)時(shí)鐘周期相位累加器作加法運(yùn)算一次。加法運(yùn)算的步進(jìn)越大，相應(yīng)合成的相位值變化越快，輸出信號(hào)的頻率也就越高。對(duì)于幅值歸一化的正弦波信號(hào)的瞬時(shí)幅值完全由瞬時(shí)相位來(lái)決定，因?yàn)?( ) /d t dt??? ，所以相位變化越快，信號(hào)的頻率越高。 相位累加器利用 Nbit 二進(jìn)制加法器的溢出特性來(lái)模擬理想正弦波的 2? 相位周期。相位累加 器輸出和 ROM 輸出可分別理解為理想正弦波相位信號(hào)和時(shí)域波形的時(shí)鐘抽樣 。 假設(shè)，相位累加器字長(zhǎng)為 N， DDS 控制時(shí)鐘頻率為 cf ，時(shí)鐘周期為 1/ccTf? ，頻率控制字為 K。系統(tǒng)工作時(shí)，累加器的單個(gè)時(shí)鐘周期的增量值為 2 / 2NK??? ? ? ，相應(yīng)角頻率 徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 / / 2 / 2 Ncct T K f? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ?，所以 DDS 的輸出頻率為 / 2 / 2 ND D S cf K f??? ? ?，DDS 輸出頻 率步進(jìn)間隔為 /2NDDS cff?? 。 因 DDS 輸出信號(hào)是對(duì)正弦波的抽樣合成的，所以應(yīng)滿足 Niqust 定理要求，即/2DDS cff? ，也就是要求 12NK ?? ，根據(jù)頻譜性能要求，一般取 cff? 。 當(dāng) DDS 相位累加器采用 32 位字長(zhǎng)，時(shí)鐘頻率為 50MHz 時(shí)，它的輸出頻率間隔可達(dá)到 6 3 2/ 2 5 0 1 0 / 2 1 6 . 7ND D S cf f m V? ? ? ? ??？梢?jiàn)， DDS 基于累加器相位控 制方式給它帶來(lái)了微步進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。 波形 ROM ROM 表完成將累加器相位信息轉(zhuǎn)換為幅值信息的功能。再由 D/A 完成數(shù)字抽樣信號(hào)到連續(xù)時(shí)域信號(hào)的轉(zhuǎn)換， D/A 輸出的臺(tái)階信號(hào)再經(jīng)低通濾波器平滑可以得到精確的連續(xù)正弦信號(hào)波形。波形 ROM 示意圖如圖 25 所示。 波 形 R O M相 位 量 化 序 列波 形 幅 度 量 化 序 列地 址數(shù) 據(jù) 圖 25波形 ROM示意圖 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的相位取樣地址，這樣就可以把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值 (二進(jìn)制編碼 )經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到 D/A 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。 DDS 頻率