（测试计量技术及仪器专业论文）500msps+awg序列模块设计与波形发生模块改进.pdf

摘要 摘要 任意波形发生器( a w g , a r b i t r a r yw a v e f 0 1 3 3 1g e n e r a t o r ) 是现代电子测量中应 用广泛的一种通用测试信号源。它不仅可以产生传统函数发生器所能产生的所有 常规波形，而且可以实现扫频、调频、p s k 、f s k 、脉冲调制等多种调制方式，还 可以根据用户的测试需求生成任意波形，重演由数字示波器( d s o ) 捕获的波形，模 拟甚至替代来自某个尚未安装元件的信号或测试过程中很难通过元件和传感器生 成的信号。其易用性和灵活性大大方便了人们的设计与调试，可以广泛地应用于 电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、振动分析及故障分析等众多领域。 本论文围绕“5 0 0 m s p sa w g 序列模块设计与波形发生模块改进”这一题目展 开讨论。重点阐述了如何利用直接数字波形合成技术实现序列合成功能，以及对 前期设计的高速波形发生模块的不足提出了改进方案。本论文的工作主要包括： ( 1 ) 分别阐述直接数字频率合成( d d f s ) 、直接数字波形合成( d d w s ) 的 工作原理，对比分析了它们各自的技术特点。结合两者的优点提出了 5 0 0 m s p s 任意波形发生器的波形合成方式。 ( 2 ) 分析了波形序列合成技术的意义以及原理，详细阐述了序列模块设计与 实现的方法。 ( 3 ) 前期设计的5 0 0 m s p s 任意波形发生器在产生个别频点的高频正弦波形时 ( 如18 0 m h z ，1 6 0 m h z ) 存在明显毛刺，本论文分析了产生毛刺的原因， 并提出了解决方法。 ( 4 ) 对原5 0 0 m s p s 任意波形发生器中的b u r s t 调制模块进行了改进。 ( 5 ) 对高速d a c 复位设计做了改进。 为了检验5 0 0 m s p s 任意波形发生器序列合成功能是否满足指标要求，本文制 定了相应的测试方法。经测试结果验证，具有序列合成功能的任意波形发生器达 到1 h z 至5 0 0 m h z 采样率要求，并实现了各项预期指标。 关键词：序列功能，可变时钟，d d f s ，d d w s ，模块改进 a b s t r a c t a w g ( a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ) i sw i d e l yu s e d i nm o d e me l e c t r o n i c m e a s u r e m e n t i ti sn o to n l yc a p a b l et og e n e r a t ea l lt h er e g u l a rw a v e sa st r a d i t i o n a l f u n c t i o ng e n e r a t o r s ，b u ta l s oc a p a b l et or e a l i z em a n yo t h e rm o d u l a t ea p p r o a c h e ss u c h a ss w e e p i n g ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，p s k ，f s k ，p u l s em o d u l a t i o n m o r e o v e r , i tc a n g e n e r a t ea n yk i n do fw a v e sa c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fc l i e n t s ，r e p r o d u c ew a v e s c a p t u r e db yd s o ，i m i t a t ea n dr e p l a c ew a v e s t h a ti sf r o ma nu n i n s t a l l e dc o m p o n e n to r t h a ti sh a r dt ob eg e n e r a t e df r o mc o m p o n e n t sa n ds e i i s o r s b e c a u s ei ti su s e r - f r i e n d l y a n df l e x i b l e ，t h i sg e n e r a t o ri sw i d e l yu s e di ne l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ge l e c t r o n i c e n g i n e e r i n g , m i l l ee x p l o r a t i o n ，m e d i c a ls c i e n c e ，v i b r a t i n ga n a l y s i s ，f a u l t sa n a l y s i s ，a n d m a n yo t h e r a r e a s t h i sd i s s e r t a t i o na r g u e sa r o u n dt h et o p i co f d e s i g na n di m p r o v e m e n to f 5 0 0 m s p sa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a 。t o rs e q u e n c eb 1 0 c ka n do fw 鲫eg e n e r a t i n g b l o c k i tt a l k sa b o u th o wt or e a l i z et h et r u l y s e q u e n c eg e n e r a t i n gf u n c t i o nw i t hd d w s t e c h n o l o g y , a n dp r o v i d e sas o l u t i o nt oi m p r o v et h ef o r m e rd e s i g no fh i g h - s p e e dw a v e g e n e r a t i n gb 1 0 c k c o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： ( 1 ) a r g u e sw o r k i n gp r i n c i p l e so fd d w s a n dd d f sa n dc o m p a r e st h e i rt e c h n i c a l f e a t u r e s 5 0 0 m s p sa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri sd e s i g n e d 谢mc o m b i n e d a d v a n t a g e so f b o t h ( 2 ) a n a l y s i st h ef u n c t i o na n dp r i n c i p l eo fs e q u e n c ew a v eg e n e r a t i n gt e c h n o l o g y , a n dp r o v i d e sd e s i g na n da p p l i c a t i o na p p r o a c h ( 3 ) h i g hf r e q u e n c ys i n ew a v e ( s u c h a s18 0 m h z ，16 0 m h z ) g e n e r a t e db yf o r m e r d e s i g n o f5 0 0 m s p sa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o rh a sa b e r r a t i o n t h i s d i s s e r t a t i o nd i s c u s s e sc a u s eo ft h es i t u a t i o na n dp r o v i d e sas o l u t i o n ( 4 ) i m p r o v eb u r s tm o d u l a t i o nb l o c ki nf o r m e r5 0 0 m s p sa r b i t r a r yw a v e f o r m g e n e r a t o r ( 5 ) i m p r o v e t h ed e s i g no fh i g h - s p e e dd a cr e s e t t h i sd i s s e r t a t i o na l s op r o v i d e sa p p r o a c ht o t e s t t h es e q u e n tw a v eg e n e r a t i n g f u n c t i o no f5 0 0 m s p sa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t ，t h e n a b s t r a c t a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r 、耐t l ls e q u e n eg e n e r a t i n gf u n c t i o nm e e t st h er e q u i r e m e n t o fs a m p l er a t eb e t w e e n1h za n d5 0 0 m h z ，a n dh a sr e a l i z e do t h e re x p e c t e dt a r g e t s k e y w o r d s ： s e q u e n c eg e n e r a t i n gf u n c t i o n , v a r i a b l ec l o c k , d d f s ，d d w s ，b l o c k i m p r o v e m e n t i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：书塑 日期：9 口7 年箩, 9 - 上7 e i 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：一皇堑皇导师签名： 日期：1 耵肘日 第一章绪论 第一章绪论弟一早骚y 匕 任意波形发生器( a w g , a r b i t r a r yw a v e f 0 1 t 1 1g e n e r a t o r ) 是近年来飞速发展起 来的一类通用信号源，与传统的信号源相比，任意波形发生器最大的优势在于它 产生信号的方式灵活。除了可以生成正弦波、方波等标准信号外，它还能够通过 波形编辑软件，模拟被测产品在实际条件运行时所遇到的“真实世界”信号，仿 真甚至替代来自某个尚未安装元件的信号或测试过程中很难通过元件和传感器生 成的信号，其先导性、易用性和灵活性大大方便人们的设计与调试。 任意波形发生器的应用非常广泛，在理论上可仿真任意波形，只要数字示波 器或其它记录仪捕捉到的波形，都可使用任意波形发生器进行模拟。目前，任意 波形发生器已经广泛应用于磁盘驱动器测试、串行数据通信、基带i f 调制测试、 汽车防抱死、发动机控制、变频器和生物医学模拟等领域，具有广阔的市场前景。 以下是几种尖端技术中任意波形发生器的应用。 ( 1 ) 雷达信号仿真：任意波形发生器能产生调幅、调频和脉冲触发等多种调 制输出，与微波信号发生器相结合可产生复杂的雷达信号模式，用于仿真飞行器 的雷达信令。由于三组调制信号有严格的同步和低的相位噪声，使这种信号稳定 且具有较低的相位噪声。同时，任意波形发生器还可以模拟不同环境条件下的雷 达信号回波，避免了雷达在整机调试和性能鉴定时采用外场试飞，即用真实目标 ( 如飞机) 给雷达提供测试信号。可节约大量的人力、财力和物力，而且也使研 制周期缩短，使得在某些情况下( 如恶劣天气) 的测试成为可能。 ( 2 ) 卫星音调仿真：任意波形发生器和微波信号发生器一起可产生通信卫星 的音调仿真，用于测试地面接收站的特性。任意波形发生器驱动变频器在适当频 率下产生几种音调，在被测通道的测试序列插入空白段，用于播送实况信号。这 种测试方法同样可用来测试在同一通信链路内收发多个数据流的电信系统。 ( 3 ) 微机电系统的驱动：微机电系统有机械、光学、电学的多种信号，需要 多台任意波形发生器仿真激励和执行机构的复杂信号。 ( 4 ) 磁盘驱动器仿真：磁盘驱动器产生的同步数字和模拟信号可由任意波形 发生器仿真，用于读写数据的测试。这种混合信号仿真可作为平板l c d 、等离子 高清晰度电视等的测试信号。 ( 5 ) 数字通信的仿真：第三代移动通信属于多制式多种信号的综合，对于这 电子科技大学硕士学位论文 种包括语音、图像和数据的复杂调制信号，任意波形发生器可发挥积极作用和产 生非常逼真的信号。 1 1 任意波形发生器的发展趋势 在任意波形发生器实现原理方面，由于受d a c 转换速度和固有特性限制，采 用数字采样技术产生波形的最高频率和频谱纯度都较低，其应用受到一定限制。 但由于传统信号产生方式难以包括测试所需的千差万别的复杂波形，数字取样技 术在任意波形产生中成为不可替代的选择，其核心是直接数字合成( d d s ) 技术， 目前的任意波形发生器大都采用直接数字合成技术，具有以下优点：1 ) 频率分辨 率高，输出频点多；2 ) 频率切换速度快，可达u s 量级；3 ) 频率切换时相位连续 可以输出宽带正交信号；4 ) 可以产生任意波形；5 ) 全数字化实现，便于集成， 体积小，重量轻。基于d d s 的波形合成分为直接数字波形合成( d d w s ) 和直接 数字频率合成d d f s 两种结构【l 儿2 。，d d w s 采用逐点输出波形数据，而d d f s 采用 抽点输出波形数据，两种结构各有优劣。其中d d f s 技术被广泛的应用在任意函 数发生器( a f g ) 中，但是由于d d f s 技术有无法还原波形细节以及无法生成波 形序列等缺陷，新一带的任意波形发生器( a w g ) 多采用d d w s 技术。 为了满足应用中对更高的输出频率，更好的波形细节描述能力以及输出信号 质量的需要，目前，任意波形发生器的发展方向主要集中在如何提高取采样率， 扩大波形存储容量以及增加垂直分辨率等方面。在提高d d s 采样率方面，主要研 究新的系统体系结构，以突破因器件速率导致的相位累加器、波形r a m 和d a c 的速度瓶颈。通过高速f p g a 和r a m 分相存储技术，可以较好解决相位累加器和 波形r a m 的工作速度限制。多路并行采样方案是解决d a c 速度限制的基本思路， 但如何实现高速波形的合成，以及如何保证合成精度是一个棘手的问题。在大容 量波形存储技术方面，由于s r a m 速度和容量限制，s d r a m 成为一种有效的选 择，但对高速应用存储控制的复杂度将大幅提高。波形存储容量的扩大对某些特 殊波形而言始终是有限的，而且要折衷考虑实现代价。因此，如何在存储容量有 限的情况下有效扩展波形深度( 时间) 成为任意波形发生器中一项重要的实现技 术，这就是波形序列合成技术。t e k t r o n i x 、a g i l e n t 和n i 等公司都在波形序列合成 技术方面争先展开了大量的技术研究工作【3 】f 4 】，提出了自己的技术专利，并在其高 性能任意波形发生器产品中实现。目前国内还未见面市的任意波形发生器产品具 有波形序列合成能力。 2 第一章绪论 1 2 任意波形发生器产品现状 近二十年来，作为任意波形发生器核心的d d s 技术发展迅速，各国都在研制 d d s 产品。其中以a d 公司的产品比较有代表性，如a d 9 8 5 0 、a d 9 8 5 1 、a d 9 8 5 2 、 a d 9 8 5 8 等。其中a d 9 8 5 8 的系统时钟达到1 g h z 。可以产生f s k 、p s k 、线形调 频信号，其相位累加器达到了3 2 位。 在任意波形发生器领域，国外的生产厂家无论是在技术的先进性、产品的成 熟性，还是在所占领的市场份额方面均领先于国内生产厂家。主要的国外生产厂 家有t e k t r o n i x 、a g i l e n t 、n i 、斯坦福等公司。目前，最大的任意波形发生器供应 商是美国t e k t r o n i x 公司，它拥有a f g 3 0 0 0 系列，a w g 5 0 0 0 系列和a w g 7 0 0 0 系 列等产品，占据了公司、研究所等中国中、高端市场。其中a w g 7 0 0 0 系列中的 a w g 7 1 0 2 ，采样率已经高达2 4 g s p s ，最高输出信号带宽为9 6 g h z ，支持序列合 成模式产生任意波形信号，是目前市场上具有最高采样率的任意波形发生器。 a g i l e n t 公司既有台式仪器也有模块化的任意波形发生器，其中，台式仪器3 3 2 5 0 任意波形发生器采样率为2 0 0 m s p s ，输出最高频率为8 0 m h z ，3 3 2 2 0 a 的采样率 为5 0 m s p s ，输出最高频率为2 0 m h z ，侧重于函数输出功能，占据了学校、实验 室等中国低端市场。其v x i 模块任意波形发生器a g i l e n te 1 4 4 1 a 1 4 4 5 a ，采样速 率均为4 0 m s p s ；p x i 模块任意波形发生器n 6 0 3 0 a 采样频率为1 2 5 g h z ，可产生 高达5 0 0 m h z 的输出频率。 我国研制任意波形发生器是从9 0 年代开始的，应用产品的开发也相对发达国 家较为缓慢。如南京盛普仪器科技有限公司的f 1 2 0 型任意波形发生器的采样率为 3 0 0 m s p s ，任意波输出带宽为1 0 0 k h z 。北京普源精仪公司的d g 3 1 2 1 a 任意波形 发生器的采样率为3 0 0 m s p s ，任意波带宽为1 - t h z - - 2 5 m h z 。从国内目前的研制水 平来看，大部分仪器采用单片机等作为主控芯片，不运行操作系统，只有简单的 人机界面。波形合成部分主要利用单片d d s 芯片来实现，最高采样率，输出信号 带宽等指标无法进步提高，同时任意波形的存储和编辑都受到很大限制，无法 产生高速任意波形。总之国内产品与国外相比还有较大的差距。 从任意波形合成技术上来看，国外t e k t r o n i x 公司的技术十分成熟，其产品多 为利用专用集成电路芯片设计实现的，技术对外保密。我国目前芯片集成能力有 限，国内厂家的产品多是利用市场上已有的d d s 芯片，先产生高频率的数字化正 弦波信号，经过波形转换后生成其他波形。因此，除正弦波以外的其他波形输出 频率较低。另外，为了无失真的还原波形信号，扩展系统的存储深度，国外的任 3 电子科技大学硕士学位论文 意波形生产厂商提出了一种采用可变时钟的序列合成技术，目前已广泛应用在高 端的任意波形发生器中，而国内在此方面依然处于空白。 1 3 本文主要研究内容 本论文所研制的任意波形发生器，最高采样率5 0 0 m s p s 、存储深度1 2 8 k 1 4 b i t s 、最大输出信号频率2 0 0 m h z 、具备多种常规波形、调制波形以及任意波形 产生能力，处于国内领先水平，也是国内首台具有序列合成功能的任意波形发生 器。该任意波形发生器主要由嵌入式计算机、波形发生模块和模拟调理电路三个 部分组成。前期设计已完成函数波形发生功能以及实现了扫频、调频、f s k 、p s k 、 b u r s t 调制等多种调制方式，但也存在以下不足： ( 1 ) 不具有波形序列合成功能。 ( 2 ) 在产生个别频点的高频正弦波形时( 如1 8 0 m h z ，1 6 0 m h z ) 存在明显毛 刺。 ( 3 ) b u r s t 调制是指当脉冲触发信号到来后，生成一个或若干周期的特定波 形。但通过大量的观测发现前期设计的b u r s t 调制所产生的一个或若干周 期的特定波形不完整。 ( 4 )高速d a c 有不正常的复位现象。 这些不足都是由于前期波形发生模块设计不完善造成的，影响了5 0 0 m s p s 任 意波形发生器性能。为完善5 0 0 m s p s 任意波形发生器的功能，提高仪器性能，有 必要对波形发生模块进行设计和改进。作者主要工作如下： ( 1 ) 设计并实现由可变时钟模块和序列地址发生模块组成的序列模块，为任意 波形发生器增加序列功能。 ( 2 ) 制定相应的测试方案验证序列合成功能是否达到预期的指标。 ( 3 ) 分析个别高频点正弦波产生毛刺的原因并通过改进消除它。 ( 4 ) 分析前期设计的b u r s t 调制产生的一个或若干周期的特定波形不完整的原 因，并针对该问题对b u r s t 调制模块进行改进。 ( 5 ) 分析高速d a c 不正常的复位的原因，通过对复位设计的改进消除d a c 不正常的复位现象，增加系统的稳定性。 4 第二章总体分析 第二章总体分析 弟一早思侔万个丌 目前任意波形发生器大都使用直接数字合成( d d s ) 技术来实现。基于d d s 的波形合成分为直接数字波形合成( d i r e c td i g i t a lw a v es y n t h e s i s ，简称d d w s ) 和 直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，简称d d f s ) 两种结构；其中 d d w s 采用逐点输出波形数据，d d f s 采用抽点输出波形数据，两种结构各有优 劣。以下将分别介绍两种结构的实现原理以及对比两者之间的优缺点。结合两者 的优势提出5 0 0 m s p s 任意波形发生器的高速波形合成方式，以及改进前后 5 0 0 m s p s 任意波形发生器的总体结构。 2 1 波形合成方式 在本节中将重点介绍d d w s 和d d f s 两种结构的实现原理以及两种结构的优 缺点对比。 2 1 1d d w s 和d d f s 实现原理 ( 1 ) d d w s 实现原理 直接数字波形合成( d d w s ) 技术工作原理为：根据预定的采样频率及所需信号 的带宽、波形长度等参数，由信号的数学表达式计算出各信号点幅度值，并按采 样顺序预先存储在高速存储器中。信号产生时，通过采样时钟计数产生地址来寻 址高速寻址存储器，逐点读出波形数据，经d a 转换后再经过适当滤波器最终产 生所需的模拟信号。原理框图如图2 1 所示，其中波形数据的产生采用非实时的方 式由计算机生成，然后存储在高速存储器中，因此高速波形存储、d a 转换、可 变时钟是d d w s 技术实现信号源的三个关键，与之对应的器件选择和电路设计决 定了信号源的主要性能指标。设可变时钟频率为疋，若周期波形每个周期由n 个 采样点构成，则该波形输出频率为： f o = 1 t o = 1 n t c = z n ( 2 - 1 ) 式中t o 为信号波形周期，为可变时钟周期。由公式可知，输出信号频率取 决于两个因素： 5 电子科技大学硕士学位论文 1 可变时钟频率z ； 2 每周期波形的采样点数n 。 图2 - 1d d w s 技术原理框图 采用d d w s 结构的波形发生器的灵活性源自其高速波形存储中存储的波形。 波形可以采取任何形状，它可以有任意数量的畸变，或根本没有畸变。在波形编 辑软件的帮助下，用户可以开发可想得到的几乎任何波形( 在物理限制内) 。可以在 仪器能够生成的任何时钟频率上，从高速波形存储中读采样点。不管时钟是以 1 m h z 运行还是以5 0 0 m i - i z 运行，波形的形状不会有任何改变。 ( 2 ) d d f s 实现原理 由于d d w s 合成新的频率必须通过更改采样时钟的频率或波形存储器中的数 据点数来实现，作为振荡器应用具有很大的局限性。因此提出了如图2 2 所示基于 相位累加器的改进模型，为了与d d w s 区分，通常称为直接数字频率合成( d d f s ) ， 由于其数控振荡器( n c o ) 的特点，频率控制方式更加灵活，逐步成为d d s 的主 流，以至于目前已习惯不再区分d d s 和d d f s 。直接数字频率合成( d d f s ) 原理 是基于采样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频 率可调的信号。d d f s 系统主要由相位累加器、幅度存储器、数模转换器( d a c ) 和低通滤波器( l p f ) 等组成。在采样时钟的作用下，相位累加器以频率控制字t 进行累加，获得的相位地址对幅度存储器进行寻址，使幅度存储器输出相应的幅 度信息，再通过数模转换器( d a c ) 得到相应的模拟信号输出。d d f s 基本实现原 理框图如图2 2 所示。 6 第二章总体分析 4 七 图2 2d d f s 工作原理框图 为了更直观的理解d d f s 相位量化的工作原理，以正弦波为例，将正弦波一 完整周期内相位卜2 万的变化用相位圆表示，其相位与幅度一一对应，即相位圆 上的每一点均对应个特定的幅度值，如图2 3 所示。 慈蓊 翼墓 图2 - 3d d f s 相位与幅度对应关系图【5 1 位宽为a 的相位累加器对应相位圆上2 一个相位点，其最低相位分辨率为 丸；。= 2 n 2 4 ( 远高于其它频率合成方式) 。a 位的相位累加器在采样时钟来临时 与频率控制字所决定的相位增量彳p ( 通常就是二进制的频率控制字t ，卜2 舢1 ) 累加一次，计数大于2 4 时则自动溢出，保留后面a 比特的数字于累加器中。将累 加器中高p 位数据作为地址送入幅度存储器，实现从相位累加器输出的相位值到 幅度值的转换，经数模转换器( d a c ) 变成阶梯波形，再通过低通滤波器滤波后 得到平滑的波形。 d d f s 的输出频率和采样时钟之间的关系为： 7 电子科技大学硕士学位论文 f o = ( t 1 2 一) z ( 2 - 2 ) 式中，a 为d d f s 相位累加器的位宽。t 为二进制的频率控制字，其取值范围 为2 川 t 1i 酬。 d d f s 通过改变输入累加器的频率控制字实现输出频率的切换，频率切换时间 理论上由数字器件的响应速度决定，目前可以做到几个纳秒，其快速的捷变能力 是d d f s 一个显著的优势。 但由于相位累加器的位数较大，如果将累加器输出的位数全部用来对查找表 进行寻址，则查找表的容量要求很大( 如3 2 位累加器就需要4 g 的存储量) ，基本 无法实现或实现代价过高，同时也影响系统速度。为了在合适的查找表容量下保 证频率分辨率，通常取高p 位( p a ) 来表示输出正弦信号的瞬时相位，进而产生 了相位截断。相位截断将使d d f s 产生输出杂散，这是d d f s 技术最大的缺点。 根据奈奎斯特采样准则，d d f s 产生信号频率五最大不超过z 2 。工程应用 中，由于受杂散位置和低通滤波器的限制，通常输出信号的最大频率取参考时钟 频率的4 0 左右。 2 1 2d d w s 与d d f s 的比较 通过对d d w s 和d d f s 工作原理的比较分析，可以看出两者具有许多相同之 处，但也有各自的特点，本文将其归纳为以下几点【8 】： 1 两者都可实现对所产生波形及其参数的瞬时捷变，所产生信号的带宽都受 器件速度、系统时钟限制。 2 一般而言，d d w s 和d d f s 都要解决幅度量化、d a c 误差、镜像频率交叠 干扰等问题，且具有相同的分析方法及结果，各种改善输出信号波形的措 施适用于两者。 3 由于d d f s 存在相位截断误差，从而引入大量的杂散频率分量，影响信号 质量。d d w s 不存在相位截断误差。 4 d d f s 的输出频率由固定的采样时钟和频率控制字共同决定，而d d w s 输 出频率由可变采样时钟和周期波形的采样点数共同决定。 5 随着a s i c 技术的发展，推出了大量的d d f s 集成芯片，二次开发极为方便。 但由于受器件工艺、速度的限制，目前通用的d d f s 芯片工作频率一般不 超过3 0 0 m h z ，而更高速的d d f s 芯片不仅种类少，而且价格昂贵，购买困 难。d d w s 虽然还处于p c b 设计阶段，但它的选择灵活性很强，通过合理 8 第二章总体分析 搭配存储器、d a c 及采用高速数字电路设计，可以弥补d d f s 性能的不足。 6 利用d d f s 产生任意波形时，由于存在相位截断，容易遗漏波形的细节， 产生波形失真。而d d w s 采用逐点输出波形数据，产生的波形可以最大可 能的保证信号的细节不遗漏。 2 2 波形合成方式选择 任意波形合成的本质是如何产生所需的波形，以及在波形确定的情况下，如 何通过参考频率源产生频率可变的波形。根据d d s 的原理可知，只需替换查找表 中的波形数据，就可以方便的实现波形的变化，但商用d d s 器件通常采用固化的 正弦查找表作为频率源使用。因此，设计上一般采用f p g a + r a m + d a c ”的方式 自行设计所需的d d s 单元。而波形频率的改变，与d d f s 和d d w s 结构相对应， 目前常采用两种方法结合使用。 2 2 - 1 结合d d f s 和d d w s 的波形合成方式 本文设计的5 0 0 m s p s 任意波形发生器的波形合成方式将d d f s 和d d w s 结 构结合使用。固定时钟的d d f s 技术通过改变频率控字来控制输出波形频率，其 频率控制方式更加灵活方便。该方法可实现不同频率或不同调制方式的波形，产 生常规波形信号质量较好，但在产生任意波形时，由于存在相位截断，容易遗漏 波形的细节，产生波形失真，如图2 4 ，( a ) 是需要产生的一个具有毛刺的正弦信 号，( b ) 是通过d d f s 产生的输出波形，对比可见，部分的毛刺细节被遗漏了。 因此，d d f s 适于产生无瞬时突变信号，通常用于函数任意波形发生器中，a g i l e n t 3 3 1 2 0 a 、a g i l e n t3 3 2 5 0 a 以及t e k t r o n i xa f g 系列产品都是采用这种波形合成方式。 可变时钟的d d w s 技术相当于d d f s 频率控制字固定为l ，通过控制波形抽取速 度改变频率，而产生波形的点数不变。如果希望输出更好的波形细节，需要波形 样本点更多，但输出信号频率则很难提高。此方法能实现高保真的波形信号，恢 复波形的细节，常用于高端的任意波形发生器设计中，如a g i l e n tn 6 0 3 0 a 与 t e k t r o n i x a w g 系列。新一代的高端a w g 普遍带有序列合成功能，序列合成功能 也使得d d w s 技术有了更多的用武之地。为了兼顾常规波形与任意波形的质量， 可以将上述两种方法结合使用，根据产生的波形特点进行选择，在产生常规函数 波形或不同调制方式的波形时，采用d d f s ；产生复杂的任意波形以及波形序列时， 采用d d w s 。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 22 高速合成方法 图2 4d d f s 结构造成的波形失真 b ) 波形存储器的读取速度是限制d d s 工作频率的瓶颈之一。以5 0 0 m s p s 任意 波形发生器设计为例，尽管商用的d a c 器件可以满足设计要求，但以目前商用 r a m 最高工作速度，显然很难达到预期的设计要求。基于此问题，本项目提出了 一种多r a m 分相存储方法，然后利用并串转换，将多路r a m 生成的波形信号台 成为一路波形信号后再进行d a 转换，从而产生高频率的输出波形，如图2 - 5 所 不。 采 图2 - 5 采用分相存储的波形舍成原理图 利用2 ”路读取频率为正的r a m 作为存储器，2 ”路存储器茈用一个相位累加 器。采样时钟正每采样一次，相位累加器以频率控制字t 为步进进行累加，输出 相差为t 2 ”的2 ”路相位值( 如图2 6 ) 。 第二章总体分析 波 形 l y jl y j 第n 个采样周期并行输出第n + 1 个采样周期并行输出 图2 - 6 累加器并行输出相位与波形间的关系 d d s 对相位查找表中数据读取的过程可以看作是对存储波形的再次采样，一 个周期内的相位累加器寻址的点数就是采样的点数。由于2 1 路数据输出的相位不 同，因此一个时钟周期，得到2 个采样点。并串转换器将2 路并行输入的相位信 号按照相位关系合并成一路，依次串行输入到d a 转换器。合并后的波形数据信 号的采样时间为t = t 2 ，采样频率为疋= 2 1 疋。这样便实现了利用多r a m 分相存储和并串转换技术提高采样频率的目的。 为了方便理解，把周期波形看成一个矢量，随步进相位弧度变化沿2 万弧度相 位圆转动，整个相位圆对应周期波形的一个周期。则单纯经d d s 采样的相位圆和 经多r a m 分相存储以及并串转换技术改进后的相位圆比较如图2 7 所示。 d i g i t a lp h a s ew h e e i l0 h 、 i 。 d i g i t a lp h a s ew h e e l ( 1 4 ) 2 1 、( 1 2 ) 木2 、七奄( 3 4 ) 宰2 l： 卜一， ：o o d o ”o 、，1 1 1 1 1 、 1 一o r t 。一 图2 7 改进前( 左) 和改进后( 右) 的后的d d s 数字相位圆 由图2 - 7 可知，经过多r a m 分相存储和并串转换处理后，在相同频率控制字 下，采样频率提高2 倍。按照奈奎斯特采样定理，输出信号的最大频率石一不能 超过采样频率z 的一半。实际中，生成信号输出频率可达2 z 5 。当采样频率提高 电子科技大学硕士学位论文 2 倍后，最大输出频率也相应的提高2 倍。 分相为2 路相位等效于在相位圆上增加了2 倍的采样点。假设累加器位数为 a ，以频率控制字t ( t 1 ) 做累加，则每周期可以在相位圆上采样点数为2 nx 2 a 丁， 采样点之间的相位差为t 2 ，故输出频率为： f o = 2 x z ( 2 x2 一t ) = ( t 2 a + n ) x 2 z ( 2 3 ) 以上分析的“多r a m 分相存储+ 并串转换 方案是以分相为2 路后再合成一 路来讨论的，这是由于数字电路实现分相为2 路比较容易，移位寄存器和加法器 组合使用就可以轻松的实现。而要实现分相为其它路( 如3 路，7 路等) ，则所需 电路要复杂得多，经分相处理后所得相位的误差也要比较大，这就在无形中增加 了相位截断误差，使得输出的杂散分布越密，数量多，杂散的功率大。这些都影 响了输出信号的质量，设计时应该充分考虑这些因数。 5 0 0 m s p s 任意波形发生器是将四路数据通过并串转换合成为一路。其中f 为 1 2 5 m h z ，所以经过并串转换以后可将采样频率提高到5 0 0 m h z 。 2 3 总体设计 在本节中将提出前期波形发生模块的总体结构，并根据前期设计中的不足提 出改进后的波形发生模块的总体结构。 2 3 1 前期的结构 前期波形发生模块主要完成了函数波形发生功能以及实现了扫频、调频、f s k 、 p s k 、b u r s t 调制等多种调制方式，其组成部分主要包括：电源模块、累加器模块、 数字存储器模块、并串转换器和数模转换模块。波形发生模块响应嵌入式处理器 的命令，生成数字波形传送给模拟调理电路，因此在结构上，波形发生模块起到 了承上启下的作用，其结构如图2 8 。其中累加器模块实现d d s 的高速相位累加、 分相、数字调制、译码等功能；数字存储器模块实现波形数据的存储，其包括f l a s h 、 驱动器、缓冲器和r a m 四个部分；并串转换器实现将多路相位数据合成为一路， 并串转换功能是通过f p g a 内部编程来实现的；数模转换模块实现数字波形数据 转换为模拟阶梯波形的任务。 1 2 第二章总体分析 图2 8 前期波形发生模块结构图1 9 l 波形发生模块的工作流程为：累加器模块接收来自处理器的命令，对频率控 制字t 进行累加，累加得到的相位地址利用多r a m 分相存储技术分相得到四路相 差为t 4 相位地址，分别寻址四路波形存储器读出相位地址对应的波形数据，波形 数据输入后级并串转换模块，经过并串转换后将四路并行数据按相位次序合并为 一路高速数据输出，从而实现高速数据合成。数模转换模块作为波形发生模块与 模拟调理电路间的接口，将高速数字信号转化为模拟阶梯信号，输出给模拟调理 电路，完成了波形发生模块的功能。 2 3 2 改进后的结构 由于前期的波形发生模块不具有序列合成功能，改进后的波形发生模块在总 体结构上最大的改变在基于原有波形发生模块的基础上添加了序列模块以实现波 形序列合成功能，序列模块的具体设计及实现将在下一章节中详细阐述。图2 9 为经过改进以后的波形发生模块的整体结构图，由于前期波形发生模块设计不完 善造成波形合成方面尚有一些不足之处，需要对前期波形发生模块内部单元进行 改进，其改进原因和方案将在第四章中着重分析。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 4 本章小结 来自c p u 的命令 。 图2 - 9 改进后波形发生模块结构图 本章系统讨论了d d w s 以及d d f s 的基本原理，通过对d d w s 与d d f s 技 术的分析和对比，提出了将两者结合的波形合成方式，即产生常规函数波形或不 同调制方式的波形时采用d d f s ；产生复杂的任意波形以及波形序列时采用 d d w s 。并提出基于分相存储的高速波形合成方法，解决高速波形产生中存储器 速度限制问题，给出了“多路r a m 分相存储+ 并串转换”的实现方案。 1 4 第三章序列模块的设计 第三章序列模块的设计 波形序列合成技术作为一种在存储容量有限的情况下有效扩展波形深度的方 法被越来越多的关注。t e k t r o n i x 、a g i l e n t 和等仪器界的龙头公司都在波形序列 合成技术方面争先展开了大量的技术研究工作，并在其高性能任意波形发生器产 品中实现。目前国内还未见面市的任意波形发生器产品具有波形序列合成能力， 为了弥补该空白，本章节将系统的阐述序列模块的设计以及实现，并最终应用在 了5 0 0 m s p s 任意波形发生器中。 3 1 序列合成原理 序列合成是一种在波形存储容量固定条件下，对于某一类测试波形进行等效 并大量地扩展存储容量的技术。图3 1 解释了序列合成的基本原理，图3 2 为所产 生的波形序列示意图，它获取波形数据过程为：先将正弦波形重复5 0 次，然后产 生方波1 次，最后产生斜波1 0 1 次。假设单个正弦波、方波、斜波的波形长度分 别为，、m 、，z ，如果利用传统的任意波形发生器结构则所需的存储深度应为 5 0 ，+ m + 1 0 1 x 刀个数据点。而通过序列合成技术，指定任意波形数据段的重复次 数，将有限的任意波形数据进行扩展则只需要z + 朋+ 撑个数据点就能产生相同的波 形，从而很好的解决了在高速采样条件下波形输出长度的问题。序列合成在某些 特殊信号的产生中具有非常重要的意义，如占空比非常小的窄脉冲信号、复杂的 波形测试序列等。 重复5 0 次 图3 1 序列合成原理示例图 1 5 重复1 0 1 次 电子科技大学硕士学位论文 l 一重复5 0 次一卜一重复1 0 1 次一 图3 - 2 波形序列不例图 目前国外高端任意波形发生器均具有序列合成功能，其中t e k t r o n i x 公司 a w g 5 0 0 0 系列利用实时排序，连接多个波形文件，生成几乎无限长度的波形； a g i l e n t 公司的n 6 0 3 0 任意波形发生器对于长的或非常复杂的波形可以连成多达 8 1 9 2 个波形成一个波形序列，每个波形均可以有1 到6 5 5 3 6 个由用户定义的重复 或循环数。而我国在序列合成技术方面的研究尚处于起步阶段，自主研发的具有 序列功能的任意波形发生器仍处于空白。 3 2 整体思路及结构 本节将在分析序列合成技术思路的基础上，提出5 0 0 m s p s 任意波形发生器序 列模块的整体结构。 3 2 1 整体思路 为实现序列合成功能，必须对传统的d d w s 相位累加器进行修改设计，不再 是单纯的累加，而需要引入序列地址发生模块来控制累加器输出地址的跳转与重 复；同时通过控制采样时钟频率可变，设置相应的采样时钟频率来改变输出波形 的频率。 为了控制相位累加器输出地址的跳转与重复必须获得如下几个参数( 如图3 3 所示) ： 1 当前段的波形长度( 图中分别为协，n 1 ) ； 2 当前段重复次数( 图中分别为确，鸭m t ) ； 3 序