（测试计量技术及仪器专业论文）vxi500msas任意波形发生器设计.pdf

摘要 摘要 随着航空航天、军事、通信等应用领域对模块化仪器的需求的日益增长，对 自动测试系统优良的交互操作性、高的数据传输速率及高的可靠性等方面要求的 不断提高，v x i 总线仪器得到了突飞猛进的发展。v x i 总线是总线测试系统的优 秀平台。基于v x i 的任意波形发生器是现代测试和自动测试领域中广泛应用的仪 器之一，它不仅能够产生正弦波、方波、三角波等标准波形，还能产生调幅、调 频、f s k 、脉冲调制等多种调制波形，因而具有非常广阔的发展前景和实际的应 用价值。 本论文围绕着电子科技大学承担的科研项目“v x i5 0 0 m s a s 任意波形发生 器”，对v x i 接口电路的设计、数字部分设计、模拟通道设计分别进行了阐述。 本文主要包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 阐述了v x i 消息基接口电路的实现方法。消息基器件不仅具有基本配置 寄存器，还拥有通讯寄存器组并支持字串行通信协议。本文从任意波形发生器的 需求出发，设计了v x i 快速通道，能够对波形数据进行快速的传送。 ( 2 ) 阐述了基于d d s ( d i r e c t e dd i g i t a ls y n t h e s i s ) 技术的各种波形的产生方法。 从调频、调幅波形的需要出发，本设计使用了双d d s 技术；由于r a m 速度的限 制，本设计采用了并串转换技术，从而达到了指标要求。 ( 3 ) 在模拟通道中进行了滤波处理，调幅电路的设计，方波电路设计以及幅 度偏移电路的设计。 本设计通过测试，整机运行情况良好，达到了最大输出波形频率2 0 0 m h z 、 频率分辨力l m h z 的要求，幅度平坦度、谐波失真等其他指标也达到了项目要求。 关键词：v x i 总线，任意波形发生器，直接数字频率合成，快速通道，仪器驱动 器 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fd e m a n do fm o d u l a ri n s t r u m e n t si n a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g ， m i l i t a r y a f f a i r sa n d c o m m u n i c a t i o n ，a n di m p r o v e m e n to fi m p l e m e n t a t i o no f i n t e r o p e r a b i l i t y , h i g hd a t a t r a n s m i t t i n gr a t ea n dr e l i a b i l i t yo fa u t o m a t i ct e s ts y s t e m ， v x ib u si n s t r u m e n td e v e l o p sv e r yr a p i d l y v x ib u si st h ee x c e l l e n tp l a t f o r mo ft h e s y s t e m t h ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o rb a s e do nv x ii so n eo ft h ew i d e l yu s e d i n s t r u m e n t si nt h ef i e l d so fm o d e ma n da u t o m a t i ct e s t ，i t g e n e r a t e sm o d u l a t i o n w a v e f o r m ss u c ha sa m p l i t u d em o d u l a t i o n ( a m ) ，f r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( f m ) ，f s ka n d p u l s em o d u l a t i o n ( b u r s t ) a sw e l la ss t a n d a r dw a v e f o r m ss u c ha ss i n ew a v e s q u a r e w a v e ，a n dt r i a n g u l a rw a v e ，t h e r e f o r e ，i th a st h ev e r yb r o a dd e v e l o p i n gf u t u r ea n dt h e p r a c t i c a la p p l i c a b l ev a l u e t h et h e s i sd e a l sw i t ht h ed e s i g no fv x ii n t e r f a c ec i r c u i t ，d i g i t a lb l o c ka n da n a l o g c h a n n e la r o u n dt h er e s e a r c hp r o g r a m v x i5 0 0 m s a sa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r u n d e r t a k e nb yu n i v e r s i t yo fe l e c t r o n i cs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yo fc h i n a t h et h e s i s m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ： ( 1 ) t h em e t h o do fr e a l i z a t i o no fv x im e s s a g e - b a s e di n t e r f a c ec i r c u i ti sd e a l tw i t h t h em e s s a g e - b a s e dd e v i c eh a sn o to n l yt h eb a s i cc o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r , b u ta l s o c o m m u n i c a t i o nr e g i s t e ra n ds u p p o r t sw o r ds e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s f r o mt h e p e r s p e c t i v eo fd e m a n do ft h ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , t h et h e s i sd e a l sw i t h d e s i g no fv x i f a s tp a s s a g ew h i c hc a nt r a n s m i tt h ew a v e f o r md a t av e r yq u i c k l y ( 2 ) v a r i o u sw a y so fg e n e r a t i o no fw a v e f o r m sb a s e do nd d st e c h n i q u ei sd e a l t w i t h a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fa ma n df m ，t h ed e s i g nu s e sd o u b l ed d s t e c h n i q u e t h a n k st ot h ep r o b l e mo fr a m s p e e d ，t h ed e s i g n a d o p t s t h ep a r a l l e l t o s e r i a l t e c h n o l o g yt oa c h i e v et h ei n d e xr e q u i r e m e n t ( 3 ) f i l t e rp r o c e s s i n g ，d e s i g no fa mc i r c u i t ，s q u a r ec i r c u i ta n da m p l i t u d e & o f f s e t c i r c u i ta r eo c c u r r i n gi nt h ea n a l o gc h a n n e l f r o mt h et e s t ，t h em a c h i n ei sr u n n i n g w e l l ，r e a c h i n gt h er e q u i r e m e n t so fm a x i m u m o u t p u tw a v e f o r mf r e q u e n c y2 0 0 m h za n df r e q u e n c yr e s o l u t i o nlm h z a m p l i t u d e l i a b s t r a c t f l a t n e s s 、h a r m o n i cd i s t o r t i o na n do t h e ri n d i c a t o r sm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o je c t k e yw o r d s ：v x ib u s ，a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , d d s ，f a s tp a s s a g e ，i n s t r u m e n t d d v e r i i 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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：塑日期：纠。罗年月；日 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：壑：堡垒导师签名： 日期： 型望 i 年铂湘 第一章引言 v x i 总线是仪器总线系统和自动测试系统的优秀平台。基于v x i 总线的模块 化仪器系统具有开放性好、数据传输速度快、体积小、可靠性高、系统组建灵活、 模块即插即用等优点。基于v x i 总线的任意波形发生器模块是一种v x i 总线虚 拟仪器系统的模块，它能够产生正弦波、方波、三角波等标准波形，各种调制波 形及用户定义的任意波形，对它的研究具有十分重要的意义和实际应用价值。【1 】 1 1v x i 任意波形发生器的发展概况 近年来，随着v x i 总线技术的广泛应用，国内外相继展开了基于v 总线 的任意波形发生器的研究工作。美国的h e w l e t t p a c k a r d 、n a t i o n a li n s t r u m e n t 、 a n a l o g i c 、t e k t r o n i x 、w a v e t e k 等公司在当今任意波形发生器的研究上处于领先 地位，己相继研制出基于v x i 总线的任意波形发生器产品系列。例如r a c a l 公 司的3 1 5 1 a 是单槽c 尺寸消息基模块，采样率可达1 0 0 m h z ，1 2 位的垂直分辨率。 h p 公司研制出e 1 4 3 4 a 、e 1 4 4 0 a 、e 1 4 4 1 a 和e 1 4 4 5 a 型等v x i 总线任意波形发 生器，其中，e 1 4 3 4 a 是b 尺寸4 通道寄存器基任意波形发生器，使用直接数字 合成( d d s - - d i r e c t e dd i 酉t a ls y n t h e s i s ) 技术，可提供波形精度为2 0 位、频率上限 为6 5 k h z 任意信号；e 1 4 4 1 a 是c 尺寸消息基任意波形发生器，可提供波形精度 为1 2 位、频率上限为1 5 m h z 的信号，还可产生a m 、f m 、f s k 调制信号。 e 1 4 4 1 a 1 4 4 5 a 的采样速率为4 0 m s a s 。 2 v x i 任意波形发生器最有代表的是2 0 0 1 年a n a l o g i c 公司推出d b s 2 0 5 5 任意波形发生器( 取样率4 8 g s s ，分辨率8 位) ， 成为当时业界指标最高的产品，d b s 2 0 5 5 任意波形发生器实际上是由两块独立的 v x ia w g 模块构成，通过功率合成器将两块2 4 g s s a w g 的输出转换成4 种模 式，即单通道单端、单通道差分、双通道单端、双通道差分，更重要的是取样率 获得倍增，从原来2 4 g s s 变成4 8 g s s 。 d b s 2 0 5 5 的主要特性如下【3 j ： 最高取样率和分辨率一4 8 g s s 和8 位 带宽和输出电压一一1 9 g h z 和4 v p p 电子科技大学硕士学位论文 波形存储量和序列存储量一一8 和4 k b 上升下降时间和抖动一- - 2 5 0 p s 和1 0 p s 电压偏移一一3 5 v 应用开发环境一- - v x i p n p 驱动器，w i n d o w s 操作系统，l a b v i e w 编程工 具 输出接口一一g p m 、皿e e l 3 9 4 、以太网( 1 0 0 ) 国内的一些科研机构和高科技公司从上个世纪9 0 年代初开始，也展开了任意 波形发生器的研究开发工作。北京航天测控技术开发公司、重庆大学和哈尔滨工 业大学都研究了v x i 总线任意波形发生器。例如：北京航天测控技术开发公司的 v x i 任意波形发生器a m c 2 4 0 5 、m c 2 4 0 5 g 、a m c 2 4 0 6 、a m c 2 4 1 4 、砧讧c 2 4 2 5 、 a m c 2 4 2 6 、a m c 2 7 2 3 。其中a m c 2 4 2 5 是c 尺寸寄存器模块，信号最高输出频率 为2 0 m h z ，幅度分辨率为1 2 位；a m c 2 4 2 6 是c 尺寸双通道寄存基模块任意波 形发生器，采样率2 0 0 m h z ，信号最高输出频率为5 0 m h z ，幅度分辨率1 4 位， 可输出十余种标准波形及任意波波形，同时能实现调频、调幅、键频、扫频等多 种功能。但我国目前仍相当缺乏基于v x i 任意波形发生器，超高频v x i 任意波 形发生器的产品存在空白。 我国目前在基于v x i 任意波形发生器的种类和性能上都与国外同类产品存 在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。本论文所研制的v x i 任意波形发生器采样率为5 0 0 m s a s ，正弦波输出最高速率为2 0 0 m h z ，频率分辨 力为l m h z ，幅度分辨力为1 4 位，其指标达到了国内外先进水平。弥补了我国在 超高频v x i 任意波形发生器领域的空白。 1 2 设计指标 主要指标如下： 1 最高采样率 5 0 0 m s a s 2 垂直分辨率( 幅度分辨率) 1 4 位 3 波形存储深度 1 3 1 0 7 2 个点 4 标准波形 2 第一章引言 正弦波、方波、三角波、斜波、噪声、脉冲波、直流 5 调制方式： s w e e p 、f m 、a m 、b u r s t 、f s