（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式和dds技术水处理用任意波形发生器的设计.pdf

摘要 课题来源于国家自然科学基金资助项目：超声水处理反应器参数优化及机理研究( 项 目批准号：1 0 5 7 4 0 3 8 ) 。水处理基础研究要求超声信号源波形可任意产生，频率、功率方 便可调。通常的信号发生器难以满足要求，市场上出售的进口任意信号发生器( a w g ) 价 格昂贵。结合实际需要，本文把嵌入式技术、直接数字频率合成( d d s ) 技术、复杂可编 程逻辑器件( c p l d ) 应用到任意波形发生器的设计中，解决了任意波形发生器价格昂贵， 可扩展性难的问题。本设计可以作为声化学反应器的小信号部分，并且由于任意波形发生 器产生的波形形状、频率可以任意调整，所以对于声化学反应器的参数调整极其方便。 论文首先介绍了任意波形发生器的研究现状，指出了其中存在的问题，接着介绍了 d d s 技术的原理，分析了d d s 技术的特点，结合c p l d 和嵌入式技术，设计了基于嵌入式 和c p l d 技术的任意波形发生器。论文阐述了系统的总体设计，硬件部分、软件部分等， 硬件部分介绍了波形生成部分和控制部分器件选择的原因和硬件电路的设计，着重介绍了 新一代c p i 肛_ m a xi i 和嵌入式微处理器l p c 2 1 3 1 ，软件部分介绍了嵌入式系统 c o s i i 的移植和多任务的划分和通信，并说明了主要几个任务的程序流程。 系统具有手写输入、上位机输入、键盘输入、模拟信号采集四种输入方式，可以存储 8 种任意波形，信号频率范围为1 1 0 0 k h z ，系统具有良好的操作界面，并且具有掉电保护 功能，又由于使用了嵌入式操作系统，便于系统的扩展。 关键词：任意波形发生d d s嵌入式系统c p l d a b s tr a c t t h et o p i co r i 西n a t e sf 两mt h es t a t en a t u r a ls c i e n c e sf b u n d a t i o ns u b s i d i z a t i o n ：u l t r a s o n i c w a t e rt r e a t m e n tr e a c t o rp a r a m e t c ro p t i m i z a t i o na n dt h em e c h 锄i s mr e s e a f c h f t h ep r o i e c t a u t h o r i z a t i o nn u m b e r ：1 0 5 7 4 0 3 8 ) ，as i 星皿a lg e n e r a t o ri sn e e d e di nb a s a lw a t e rt r e a t m e n tr e s e a r c h w h i c hw a v e f o 彻i sa r b i t r a r y 锄df k q u e n c y 卸dp o w e ri sa d i u s t a b l e 仃o mt h ea c t u a l r e q u e s t so f w a t e rt r e a t m e n t t h eo r d i n 烈ys i 霉皿a l 固e n e f a t o rc 锄n o tm e e tt h o s er e q u e s t s ，a n dt h ei m d o r t e d a r b i t r a r yw a v e 星r e n e r a t o r ( a w g ) s o l di nt h em a r k e ti se x p e n s i v e ht h i sp a p e r t h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y t h ed i r e c td i 百t a l 肌q u e n c ys ) r l l t h e s 娩e ( d d s ) ，t h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o 酉c a l c o m p o n e n t ( c p l d ) a r ca p p l i e di i lt h ea r b i t r a 巧w a v eg e n e r a t o rd e s i 印t 0m e e tt h ea c t u a lr e q u e s t s i ti st h es o l u t i o no fe x p e n s i v e 呻c c 卸db a de x p a n s i b i l i t yo fc o m m o na r b i t 珈呵w a v eg e n e r a t o l t h i sd e s 咖c o u l d b et h ep h o n o c h e m i s 时r e a c t o r ss m a l ls i 印a lp a r t ，a l s o ，b e c a u s et h e 觚q u e n c y a n ds h a p eo ft h ew a v e f o 姗p r o d u c e db y “b i t r a r yw a v e 鲇n e r a t o ri sa d i u s t a b l e ，t h e r e f o r ei ti s e x t r e m e l yc o n v e n i e n tt 0t h ep h o n o c h e m i s t r yr c a c t o r sp a r 锄e t e ra d i u s t m e n t t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c c st h ep r e s e n tr c s e a r c hs j t u a t i o n0 fa r b i t r 铷呵w a v eg e n e r a t o r ， p o i n t so u tt h ep r o b l e m s ，t h e ni n t r o d u c e sp r i n c i p l eo ft h ed d st e c h n o l o g ya n d 卸a l v z e st h ed d s t e c h n o l o g yc h a m c t e r i s t i c ，t l l e nd e s i g n sm ea f b i t r 盯yw a v eg e n e 豫t o rb 雒e do nt h ee m b e d d e d t e c l l i l o l o g ya n dc p l d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sh o l i s t i cd e s i g no ft h es y s t e m ，t h eh a r d w a r ep a r t ，t h e s o f 细a r ep a n 锄ds 00 n ，t h eh 锄d w a r ep a ne x p l a i n st h er e 勰o nf o ft h ec h o i c e0 f t h ec o m p o n e n t 锄dt h ed “：i l i td e s i 盟o ft h ew a v eg e n e r a t i o np a r ta n dt h ec 0 n t r o lp a n ，p u t se m p h a s i z eo nn e w g e n e r a t i o no fc p u ) 一m a x i i卸de m b e d d e dm i c r o p r o c c s s o rl p c 2 1 3 1 ，t h es o f 时a r e p a n e x p o u n d st h et r 孤s p l 锄to fe m b e d d e ds y s t e m c o s i i 觚dt h ed i v i s i o na n dc o m m u n i c a t i o n0 f m u l t i m i s s i 蚰，柚ds h o w st h ep r o c e d u r en o wo ft h em a i nd u t i e s t h es y s t e mh a sf o u ri n p u tm o d e s ：t h eh a n d w r i t t e ni n p u t ，t h ep ci n p u t ，t h ek e v b o a f di n p u t ， t h es i m u l a t e ds i g n a lc o l l e c i o n ，c a ns a v e8k i n d so fa r b i t r a 巧w a v e ，t h es i g n a lf r e q u e n c ys c o p ei s 1 1 0 0 k i z ，t h es y s t e mh 弱t h e9 0 0 do p e r a l i o ns u r f a c e ，觚dh a st h ep r o t e c t i o nf u n c t i o nw h e n p o w c ri s1 0 s ts u d d e n l y ，a l s o ，b e c a u s eo fu s i n gt h ee m b e d d e do p c r a t i n gs y s t e m ，i ti sa d v 锄t a g e o u s f o rs y s t e m se x p 觚s i o n k e yw o r d s ：g e m r a t i o no fa r b i 仃a 巧r a v e d d se m b e d d e ds y s t e mc p l d 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 寸髫年6 其ff b 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ，髫年乞a 孓黾 河海大学硕士论文第一章绪论 1 1 课题简介 1 1 1 课题的来源 第一章绪论弟一早珀t 匕 本课题来源于国家自然科学基金( 1 0 5 7 4 0 3 8 卜超声水处理反应器的参数优化及机理 研究。 1 1 2 课题背景、研究目的与意义 声化学【1 l 作为一门新兴的交叉学科，目前超声波已广泛应用于化学【撕l 、医学【6 】、食品 工业【7 9 l 、工业焊接【1 m 、废水处理【1 1 忽j 和材料的改性等方面。超声作为污水处理的一种新兴 手段已经得到了广泛应用。其降解条件温和，降解速率快，适用范围广，可以单独或与其 他水处理技术联合使用，如臭氧、双氧水等。本自然科学基金就是研究超声水处理功用的。 本实验室长期从事超声水处理工作，所谓超声水处理，即利用超声换能器将电功率转 化为声功率，将功率超声打入水中，利用大功率超声降解水中污染物，破环污染物化学键， 将大分子污染物转化为小分子无害物质。超声波功率源向超声换能器提供连续的电能量， 由小信号部分和放大、匹配等部分组成。其小信号的性能特点直接影响水处理基础研究工 作。这就需要超声功率源具有高分辨率、高稳定性、大功率、频率大范围可调，并且波形 发生方式多样等特点，而本设计正可以作为超声功率源的小信号部分。原因有三个方面： ( 1 ) 从水处理效果的角度 2 0 k h z 超声波发生器，超声波探头，桶形反应器，曝气头，臭氧发生器 图1 1 超声联合臭氧处理对硝基苯酚实验装置示意图 对硝基苯酚是工业污水的主要污染物，可以导致癌症和基因突变等。用超声联合臭氧 l 基于嵌入式和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 降解对硝基苯酚的装置如上图，其中臭氧发生器产生臭氧浓度为0 9 6 m g l ，强度为2 5 m ， 经过曝气头打为小的气泡，通入对硝基苯酚溶液中，超声换能器探头从反应器顶部插入， 频率为2 0 k h z ，对硝基苯酚溶液浓度为1 5 0 m g 几，联合作用时间为l 小时2 0 分钟，样品 吸光度变化如下图所示。可以看出，臭氧联合超声作用比臭氧单独作用，吸光度有明显 降低，降解率基本达到1 0 0 。 禁 璧 d1d2 03 u 4 0 5 05 07 08 b 9 01 0 0 x ：时问份钟) 图1 2 超声联合臭氧降解对硝基苯酚效果随时间变化图 从图中可以看出，降解率随着时间的增长而升高，且基本和时间成线性关系。但这种 规律只是针对2 0 k h z 这一个频率点的换能器，是否对各种频率的换能器都适用，各种频率 的降解性能之间的差异，尚无定论。要进一步研究的话，就要扩大研究的频带范围，并减 小信号的步进，也就是增加实验的频率点，这就要求信号源频率任意可调。另一方面，本 实验的时间是1 小时2 0 分钟，而大量国内外大量文献表明，一般实验时间为半小时左右， 后来又做了大量基础性的实验，还使用过换能器阵列【掘2 9 1 ，如下图所示，但都无法在现有 降解效果的基础上减少实验时间。这就启发我们在信号源上改变参数，调整波形的形状、 占空比等，这就需要信号源可以产生各种频率各种形式的波形，甚至是不规则波形，也就 是任意波形，这也是设计任意波形发生器的初衷。从设计实用装置的角度来讲，设计一个 宽频带任意波形发生器作为整个装置的小信号部分是十分必要的。虽然本设计的频带范围 不是太大，但以后随着高速芯片的应用，系统的性能会不断提高。而且本文采用的设计任 意波形的思路也是当今信号源的主流设计思路。 2 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 河海大学硕士论文 第一章绪论 图1 3 超声换能器阵列联合臭氧水处理装置示意图 ( 2 ) 从换能器频率跟踪的角度 超声换能器的谐振频率随着换能器的发热、老化、以及负载的变化而变化，如果驱动 换能器的频率不是谐振频率，则换能器无法最大程度地将电功率转化为声功率，而水处理 需要很大的声功率使污染物降解，所以超声功率源具有智能频率跟踪是十分必要的，这样 可以实时跟踪换换能器的谐振点，使换能器工作在效率最大的状态，水处理才能达到最佳 效果。这就要求信号源的频率是自动任意可调的，本设计正符合此要求。另外，本设计所 使用的是嵌入式处理器，而不是一般的5 l 单片机，具有极高的计算速度，可以使用高速 的外围电路以及复杂的频率跟踪算法，这样就可以实现实时跟踪。 ( 3 ) 从系统扩展的角度 为了增强水处理的效果，以后的系统可能使用换能器整列，而要对这么多的换能器进 行控制，就需要控制芯片具有大量的输入输出口，并且要使用实时操作系统的多任务调度， 这都是本设计所涉及的。另外换能器阵列有多个谐振频率，本研究可产生一种波形是多种 频率的叠加，从而可以驱动所有换能器，叠加波形是周期性不规则波形，对于一般的信号 源，这个功能是不能实现的，只有任意波形发生器才能产生周期性不规则波形。 综上所述，由于水处理的种种需要，设计一个基于嵌入式的智能任意波形发生器是必 须的，而本文正是这方面的初步探索，还不足以应用在实际的水处理反应器中。相信在以 后的实践过程中，随着对水处理规律的不断掌握，也会带动本任意波形发生器性能的不断 提高。 1 2 任意波形发生器的研究现状 在7 0 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间， 能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上斜波等几种常用标准波形，产生其它波形时， 3 基于嵌入式和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术， 由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和 三角波等几种简单波形，输出的波形具有良好的相位噪声、较低的寄生分量以及较快的开 关速度等，但是模拟电路的漂移较大，使输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成 的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结 构非常复杂1 3 0 。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频 率的调节，因而很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节1 3 m 引。 在7 0 年代以后，微处理器的出现，可以利用微处理器、a 仍、和d a 、硬件和软件使波 形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是 采用微处理器对d a c 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。例如，令微处理器的累加 器a 自身循环增量，每增量一次即向d a c 送出一个数，使d a c 有一个输出。因为当a 的内 容达到最大值2 5 5 时，再增量一次，a 的内容就变为最小值( o ) ，然后可以继续增加。如 此，周而复始，就可以从d a c 输出端获得一个正相的阶梯波。用同样的方法还可获得方波、 锯齿波、三角波等波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是 由c p u 的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高 c p u 的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路1 3 3 j 。当时的信 号处理器是专用于信号处理的微处理器，时钟频率只有1 2 m h z ，d 和d a 一般在8 位左右， 内部存储容量也很小。因此，能够产生正弦波的有效频宽不会超过l m h z ，要获得比较平 滑的低失真度的波形，重复频率不会超过1 0 k h z 。用数字方法的函数发生器尚处于开发阶 段，正式的商品还不多。 近年来，随着d d s 技术的进一步成熟和完善，基于d d s 技术的任意波形发生器便应 运而生。在第二章进行理论分析时会提到，利用d d s 技术产生的波形完全取决于r o m 中 存储的波形数据。当r o m 中存入的数据为正弦波采样数据，则输出波形为正弦波；当然 若存入的是其它我们所需要的波形数据，像锯齿波、三角波等，d d s 可以输出其相应的周 期波形，因此，可以很方便的通过更新r o m 中的数据，来生成我们所需要的波形，而这 不需要对硬件电路结构进行更改。这样既可以简化电路设计，又可降低成本。早期的任意 波形发生器的时钟频率在l m h z 以下，目前时钟频率已超过1 g h z ，最成功的应用实例是 数字示波器与任意波形发生器连用。当数字示波器捕捉到偶发的故障信号时，由任意波形 发生器复制该故障信号，使“偶发”信号变成可“重发”的信号，极大地便于电路故障的 排错测试。因为任意波形发生器的波形采用数字电路产生，能够提供任意的混合信号，它 的应用正在扩展，性能也不断提高。 2 0 0 5 年是任意波形发生器的丰收年，据不完全统计至少有8 家仪器公司推出多种任意 波形发生器。首先，泰克公司借助全新设计用于任意波形发生器的“片上发生器芯片， 使它的台式a f g 3 0 0 0 系列领先其他竞争对手，“片上发生器 单芯片由c m o s 的0 1 跏m 工艺 制成，集成直接数字合成发生器、2 g s s 的1 4 位d a 转换器、标准函数发生器、可变参数脉冲 发生器、调制信号源、噪声源、扫频电路于一身。a f g 3 0 0 0 系列任意波形发生器代表新一 4 河海大学硕：仁论文 第一章绪论 代的设计，有利于全面提升性能和普及应用，并推动信号发生器的发展。为适应医疗设备和 汽车等工业测量的需要，n u k e 公司生产台式2 7 1 直接数字合成的函数发生器，最高频率 1 0 m h z ，可快速输出标准函数波形和任意波形，并准备继续推出最高频率5 0 m h z 以下的产 品。为满足模块仪器在控制系统、雷达仿真、国防军事的应用，h i 曲l 卸d 科技公司推出v m e 总线的v 3 5 0 模块，具有4 0 m s s 和1 2 位的任意波形合成能力，4 通道模拟和数字输出的高速 波形发生器。g e o t e s t 的g p l 6 6 5 h 最高频率为5 0 m h z 。t e g a m 公司推出两种通用的台式任意 波形发生器2 7 0 0 陀7 2 5 ，最高频率3 1 m h z 和4 0 m h z 。t a b o f 公司的w 6 n d e rw a v e 系列台式任意 波形发生器有5 0 m s s 、1 0 0 m s s 、2 5 0 m s s 和1 2 0 0 m s s 四种取样率和1 6 位的分辨率，共有7 种型号。b + k 公司的4 0 5 1 多功能函数发生器，是便携式的最高频率2 0 m h z 的普及型产品。 n o v a t e c h 仪器公司的4 4 0 a 是手持式交直流供电的4 4 0 m h z 程控直接合成信号发生器。s i 鲫a l f o 唱e 公司的s f 8 0 0 是u s b 接口仪器，由温控晶振和直接数字合成产生最高8 0 0 m h z 的正弦和 方波信号。在一年时间内仪器市场出现众多不同类型的函数任意波形发生器，表明用户对 数字化任意波形发生器的重视，它们将代替传统的模拟方式函数发生器和信号源。根据市 场调查数据可知，数字化任意波形发生器近年将有9 的年增长率和更多产品面市。 现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大的促进了数字化技术在电子测量仪 器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的 处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点， 数字信号发生器随之逐渐发展起来。目前任意波形发生器的基础就是直接数字合成技术， 用高速存储器做查询表，通过数字形式存入的波形，由高速数模转换器产生所需要的任意 波形。近几年来，国际上任意波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 输出波形频率的提高 在过去，频率的限制使任意波形发生器仅仅应用于波形可能是复杂的，但频率很低的 地质、生物和机械等领域，较新的任意波形发生器不仅能提供兆赫兹数量级频率的波形， 而且可以提供微赫兹数量级频率的波形，从而它不仅仅应用于上述领域，而且更广泛的应 用于通讯、电子、雷达、计算机和显示等领域。 ( 2 ) 更方便的波形输入 任意波形发生器软件技术的开发正使任意波形的输入变得更加方便和容易。任意波形 发生器通常允许用一系列的点、直线或固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利 用一种非常强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v = f ( t ) 形式的波形方程的数学表达式产生。各种计算机语言的飞速发展也推动了任意波形 发生器软件技术的发展。目前可以利用可视化编程语言( 如v i s u a lb a s i c ，s u a lc 等等) 编写 任意波形发生器的软面板，这样允许徒手从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的 输入。t e k t r o n i x 公司推出了任意波形产生软件包“w a v e w r i t e r ，允许用户利用鼠标器徒手描 绘波形。 ( 3 ) 与v x i 资源的结合 目前，任意波形发生器有独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的 5 基于嵌入武和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 v x i 模块。由于v x i 总线的成熟和对测量仪器功能的高要求，在很多领域需要使用v x i 系统测量和产生复杂的波形，v x i 的系统资源提供了明显的优越性【粥5 1 。但由于开发v x i 模块的周期长，而且需要专门的v x i 机箱的配套使用，使得任意波形发生器v x i 模块仅 限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，v x i 模块远远不如台式仪器更为方便。 相比之下，国内在d d s 方面的研究起步比较晚，主要还局限于理论和试验阶段，目 前还没有d d s 方面的芯片出现，不过最近北京普源精电科技有限公司推出一款带有数字信 号输出的函数任意波形发生器一d g 3 0 0 0 系列。r i g o l d g 3 0 0 0 系列主要面向中高端用 户，而且价格较高，这样设计一款性能优越且性价比高的任意波形发生器产品具有重要意 义。 1 3 论文的主要工作 6 本论文主要完成如下几个方面的工作： ( 1 ) 阐述了课题研究的背景、目的、和研究意义。 ( 2 ) 分析目前任意波形发生器的研究现状及存在的问题。 ( 3 ) 设计基于嵌入式技术和c p l d 技术的任意波形发生器。 ( 4 ) 对整个系统的硬件部分进行详细阐述。 ( 5 ) 对嵌入式操作系统进行详细的比较分析，研究基于特定平台的嵌入式操作系统的 移植，归纳在移植过程中需要注意的问题。 ( 6 ) 完成嵌入式操作系统c o s i i 下整个系统程序设计和c p l d 部分的程序设计工 作，为系统的可持续开发奠定基础。 ( 7 ) 对系统硬件软件进行调试。 河海大学硕士论文第二章基于d d s 技术的任意波形发生器 第二章基于d d s 技术的任意波形发生器 2 1d d s 技术原理 图2 1d d s 系统工作原理图 d d s 的工作原理如图2 1 所示，系统由相位累加器，只读存储器r o m ，数模转换器d a c 及低通滤波器组成【3 6 j 。这里以合成正弦波为例，首先在幅度表r o m 中存入正弦波形的幅度 编码。在系统运行过程中，相位累加器在时钟正的触发下，对频率控制字进行累加，其输 出的相位序列( 即相码】作为地址去寻址r o m ，这样可得到一系列离散的幅度编码( 幅码) 。 该幅码经d a c 变换后得到模拟的阶梯电压，再经低通滤波器平滑后，就可得到所需要的正 弦信号。一般将相位累加器和r o m 合称为n c o ( 数控振荡器) 。 根据傅立叶变换定理，任何周期信号都可以分解为一系列正弦或余弦信号之和，不失 一般性。下面就以正弦信号的产生为例详细说明d d s 的基本原理。 一个频谱纯净的单频正弦信号可以表示为 比( f ) = u s i i l ( 珂甜+ 口o ) ( 2 1 ) 式中，u 为输出正弦波幅度，岛为初始相位。由于u 与岛不随时间变化，为了设计 方便，将u 归一化为1 ，而令为0 ，这样上式可表示为 “o ) = s i n ( 2 矿甜) = s i i l 珂甜 ( 2 2 ) 先对此波形进行采样，设采样频率为正，采样周期为丁一1 六，则采样后得到的信号 波形可表示为 “m 一磊“，l r ) _ “( 万丁) = s i n ( 刀。n r ) = h o ) ( 2 3 ) 基于嵌入式和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 从上式可以看出，采样后的波形数据为正弦值，存在负值，而存储器中的数是以无符 号的二进制数来表示，故须将采样得到的数值加上某一常量，从而使采样得到的离散序列 均为正数。而在后续d 怂转换输出波形减去一直流电平，使输出波形不含直流成分。对于 上式，由于其最小值为1 ，故可加1 这个常数，将全部采样数据转换为正数。这样的得到 的表达式为 h ( ，1 ) = “( ，l z ) = 1 + s i n ( 万o ，l r ) ( 2 4 ) 此外，存储器数据为有限位，而上述正弦值一般为无穷位数的无理数，故须将采集到 的波形进行量化，其过程就是对上述数据进行截尾处理，得到有限位二进制数据。事实上， 在d d s 技术实现过程中，上述数据采样与量化过程一般是由软件一起来完成( 也可由单 片机控制d 转换器来进行实时采样得到离散的波形序列) 。若采用软件实现，可调用高 级语言函数库，得到量化的波形数据。 波形的存储与恢复一般则由硬件来实现。这也是一般意义下的直接数字频率合成器， 将量化的波形数据存入存储器中( 查找表) ，相位累加器产生地址，对存储器查找表寻址 输出离散化的波形序列，经功，a 转换输出模拟波形。 由式( 2 2 ) 知，对于单频的正弦信号，它的相位是时自j 的线性函数，在时钟频率的作 用下，表示每个时钟周期相位变化的数字量( 频率控制字，也即累加器步长) 送至累加器， 并与原有的数据相加，这样，累加器的输出是一个关于时间的线性相位函数( 近似值) ， 如图2 2 所示。 8 输出 图2 2 相位累加器输出波形 累加器的输出对存储器中离散化波形序列寻址，输出波形如图2 3 所示。 图2 3d a 输出波形 河海大学硕士论文第二章基于d d s 技术的任意波形发生器 相位函数的斜率决定了信号的频率，而相位函数的斜率取决于每个时钟周期相位的增 量。控制每个周期相位的增量即可控制合成信号的频率。改变累加步长，即可改变输出每 个周期的相位增量，从而改变输出信号的频率。经d a 输出的波形为幅度随时间成正弦规 律变化的阶梯波，须经低通滤波器进行滤波。 以上为了原理论述简便，将输出波形幅度归一化为1 ，并令初始相位为0 ，但实际中， 需要控制输出波形的幅度，这样就需要进行幅度控制，这将在后文做具体介绍。在多路输 出时，还要对各路输出的相位差进行控制，完整的d d s 框图如图2 4 所示。 幅度控制字l | j d a 相位控制字i- i 加法器l | j 查找表 相位控制字l 一累加器l l - l 查找表 幅度控制字l d ，a 图2 4 完整的d d s 原理框图 2 2d d s 的主要技术指标及特点 d d s 采用全数字技术实现频率合成，使其与一般的频率合成相比，有一些很突出的优 点和独特的性能1 3 7 1 。概括来说主要有以下性能指标和优点： ( 1 ) 输出带宽 当频率控制字l ( - 1 时( 即：向相位累加器中送入的累加步长为1 ) ，则输出的最低频 率为 ，m i l l 霉乒2 ( 2 5 ) 式中，乒为系统时钟频率，为相位累加器的位数，当相位累加器位数很高时，最低 输出频率可达m h z ，甚至更低，可以认为d d s 的最低合成频率为零频。d d s 最高输出频 率受限于系统时钟频率和一个周波波形系列点数，在时钟频率为乒，采样点数为m ( 存储 深度) 下，最高输出频率为 厂蛳；乒m ( 2 6 ) 这是一个比较大的数值，所以，d d s 相对其它频率合成技术，其带宽得到了极大的提 9 基于嵌入式和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 高。 ( 2 ) 频率、幅度、相位分辨率 频率分辨率也就是频率的最小步进量，其值等于d d s 的最低合成频率。 厂= 厂m i i l = 尼2 川 ( 2 7 ) 由d d s 最低合成频率接近零频知，其频率分辨率可达零频。所以d d s 相比其它频率 合成技术有更精密的频率分辨率。精细的频率分辨率使得频率输出十分逼近连续变化。幅 度的分辨率决定于幅度控制的d a c 的位数： y = 2 ( 2 8 ) 式中，为幅度控制d a c 的位数，为幅度控制d a c 的参考电压。相位差的分辨 率与一个周波采样点数m 成反比， 卸= 3 6 0 0 m ( 2 9 ) 从上可看出，d d s 技术可根据实际需要，对频率分辨率、幅度分辨率以及相位差分辨 率进行灵活控制。 ( 3 ) 频率转换灵活性 频率转换灵活性是指频率控制字改变后，输出波形频率跟踪频率控制字的能力。d d s 是一个开环系统，无任何反馈环节，故可以认为其频率转换是实时的。d d s 的相位序列在 时间上是离散的，在频率控制字k 改变后，经过一个时钟周期后即可按新的相位增量累加， 可认为它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间。而在现代数字电路，数据传输时延 为n s 级的频率转换时间极为短暂。 ( 4 ) 相位连续性 从d d s 原理可知，在改变d d s 的输出频率时，实际就是改变地址发生器输出地址的 速率，即改变相位函数的增长率。如在t 1 时刻，当频率控制字改变后，只是改变了t 1 时 刻的地址上产生下一时刻t 2 地址的速率，并没有改变t 1 时刻的地址，而且t 2 时刻地址还 是在t 1 时刻地址的基础上进行累加。这样，就保持了输出波形相位的连续性，只是在改变 频率的瞬间其频率发生了突变。 ( 5 ) 波形灵活性 只要改变查找表中的波形数据即可改变输出的波形。这样，可对多种波形进行采集， 存入存储器，根据需要灵活控制输出波形的种类。此外，只要在d d s 内部加上相应控制 f m 、p m 和a m ，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，也可以产生f s k 、p s k 、 a s k 和m s k 等信号。当d d s 的波形存储器分别存放正弦和余弦的函数表时，即可得到正 交的两路输出。d d s 还可灵活输出多相波形，只需设计同样的查找表，改变其寻址的起始 位置，即可输出多相相位差可编程控制的波形。 ( 6 ) 其它性能 d d s 的其它性能指标有易控性、集成度、体积、功耗、稳定可靠性以及性价比。由于 1 0 河海大学硕士论文第二章基于d d s 技术的任意波形发生器 d d s 中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高， 且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 当然，d d s 系统也有缺点。首先，它的最高输出频率从理论上说就只有系统时钟频率 的一半，而且在实际应用中还要小于此值。因为在高频状态下会出现波形抖动和数据丢失 问题，这是由于它在产生波形时是逐点跳跃的，这样在较高的时钟频率下，a w g 就会掠 过波形上的某些点，造成输出波形的不规则。其次，根据d d s 杂散来源可以建立一个d d s 杂散模型，如图2 4 所示。图2 4 中给出d d s 杂散的三个主要来源：( 1 ) d a c 转换误差， 这是由于实际d a c 器件的非理想特性引起的。除了有限的分辨位数外，d a c 的瞬间毛刺、 非线性及有限的转换速率等都成为导致频谱杂散的因素，而且随着d d s 输出频率的不断 提高，d a c 转换误差已经成为d d s 杂散的主要来源。( 2 ) 幅值量化误差，这是由于波形 存储器r o m 的字节长度是有限的，需要对存入其中的波形采样数据进行量化造成的。( 3 ) 相位舍位误差，这是因为r o m 的容量是有限的，而相位累加器的位数往往取得比较长， 因此在波形寻址时，舍去了其中的一些位数，这样就不可避免的引入了相位舍位误差。 图2 5 d d s 杂散源 2 3 基于d d s 技术的任意波形发生器 2 3 1 产生任意波形的方法 利用d d s 技术产生任意波形常用的方法有两种：一种是利用调制波来实现复杂波形 的产生；另一种是利用改变波形存储器中波形存储数据来产生周期性( r o m ) 以及实时 ( 洲) 的任意波形。本系统采用第二种方法，利用上位机或手写板或信号采集生成波形 数据，然后通过处理器或通用编程器将生成的数据写入波形存储器( e 2 p r o m ) 中，再由 d d s 系统将波形合成出来，这样就可以产生出所需的任意波形。 2 3 2 频率控制模块 频率控制模块又称为相位累加器，可采用累加器来完成，根据外部送入步长( 频率控 制字) 进行累加。采用c p l d 来实现电路简单，控制更为灵活方便，且集成度高。累加器 由加法器和并行数据寄存器组成，如图2 6 所示。在时钟频率的作用下对输入频率控制字 进行累加。对频率的控制，就是控制对查找表寻址的速率，也就是控制一个时钟周期相位 1 1 基于嵌入式和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 增量o 的大小。 图2 6 相位累加器原理图 根据式( 2 7 ) 可知，当时钟电路的输出时钟频率 为定常数，频率分辨率就由相位累 加器的位数来决定，可根据频率分辨率来设计相位累加器的位数。若性能指标要求的频率 分辨率为，又知输入的时钟频率为乒，则可按下式确定相位累加器的位数 2 。1s 舌s2 ( 2 1 0 ) ， 则 。g z 畴，s 幽g z 畴，+ 1 ( 2 1 1 ) 设单片机输出的频率控制字为k ( 也即累加器累加步长) ，则输出波形的频率为 ，= 等 ( 2 1 2 ) 需要注意的是，由于相位累加器位数很多，而查找表深度有限，故需对相位累加器输 出进行截断，采用高位来对查找表寻址。 2 3 3 幅度控制模块 1 2 图2 7 幅度控制原理图 河海大学硕士论文第二章基于d d s 技术的任意波形发生器 幅度的控制采用双d a c 控制方案，原理如图2 7 所示。其中，d a c l 用于幅度控制， 根据幅度控制字，输出相应的电压作为d a c 2 的参考电压，其参考电压v r e f 接基准电压源。 d a c 2 将查找表输出数据转换位模拟量输出。输出模拟电压最大值即为d a c l 输出的模拟 电压。 式( 2 8 ) 即为幅度控制最小步进量表达式，若幅度控制字的数值为d y ，则输出波形 的幅度为 。等哳 ( 2 1 3 ) 为幅度蛇的位数，这样即可根据波形幅度的步进量要求选择幅度控制d a c 。 需要说明的是，这里幅度控制所用的d a c 对电流建立时间要求不高，可选择转换速 率比较低、价格比较便宜的d a c ，这样可提高系统的性价比。 2 3 4 相位差控制模块 相位差( 对于多相波形输出) 的控制即是控制对查找表寻址的起始地址，在参考相输 出寻址地址的基础上，加上一个相位控制量( 地址偏移量) ，即可完成对相位差的控制。 相位差的控制就是通过在地址发生器输出的寻址地址值上加一偏移量，从而改变寻址的起 始地址。示意图如图2 8 所示。 图2 8 相位差控制原理图 相位控制最小步进量的表达式如式( 2 9 ) 所示，若相位控制的数值为坊，则产生的 相移为 p = ( 半) 。 旺 胪i 沪厂 忆j 4 可根据多路输出的相位差分辨率来选择周波存储点数m 。 2 3 5 查找表的设计 将采样到的波形数据烧写入e 2 p r o m 中，形成查找表。查找表中数据位数为模数转换 器d a c 的位数，其长度则为波形存储深度m 。对于常规波形，查找表数据可调用c 语言 数学函数库中的相关函数计算得到，如正弦查找表，可调用正弦函数得到各点的值，程序 1 3 基于嵌入式和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 语句如下： 挣d e f i n ep a i3 1 4 1 5 9 2 6 5 f b r ( j = o ；i d a t ao u t d a t a 0 u t a、o一雌oq，(v一 一 罾 登载霉黼西冀雹黼雹圆 基于嵌入式和d d s 技术水处理用任意波形发生器的设计 4 1 2 存储器的选择与设计 波形存储器是任意波形发生器硬件电路的核心部件之一。在设计中，波形存储器的读 取速度和存储容量是十分重要的参数。在相位增量寄存器的值设置比较大时，即合成信号 的频率比较高时，寻址波形存储器地址信号的变化将近似于系统时钟的变化。为了使任意 波形发生器能正常工作，要求在一个时钟周期内完成相位累加器的地址建立和从高速的波 形存储器中读取数据两项工作。这就要求高速存储器的读取时间要比参考时钟减去相位累 加器的地址建立时间要短。 由于本系统可以存储多种固定波形和任意波形数据，因此要求存储器的容量比较大。 而存储位数则与波形生成d a c 的分辨率一致，即为8 位。 综合以上两点，我们使用外置e 2 p r o m 而在系统调试阶段可利用c p l d 内部的 e 2 p r o m 资源存储固定波形数据，以测试d a c 和低通滤波模块，这将在第六章中作介绍。 本系统选用a t m e l 公司8 位并行e 2 p r o m 存储器2 8 c 2 5 6 作为外置的波形存储器，它的 读取时间只有1 5 0 i l s ，按页写周期3 m s ，自动按页写操作，内置6 4 字节地址、数据锁存器、 内置控制定时器等。并行存储器具有操作简单的优点，它与c p l d 的接口电路如图4 2 。 可以用v h d l 语言编写读写控制器的时候可以采用状态机的方式进行描述。相比1 2 c 等串 行e z p r o m ，它占用了更少的c p l d 内部宏单元。1 5 0 n s 的读取时间足以满足本系统设计 要求。而且该芯片可采用通用编程器进行读取和烧写，可以通过这种方式验证c p l d 内部 模块设计的正确与否。更重要的是，对于数据量较大的固定波形数据，我们可以通过使用 像m a t l a b 这样的软件，通过编程的方法产生一系列波形数据，并按照肛x 文件的i n r e l 格式存放，然后下载到2 8 c 2 5 6 中，从而使信号产生过程简单、快捷。利用这一方法可以 根据需要随时调整信号参数，无需硬件电路配合即可实现信号参数选择和功能扩展。 鼍f 图4 2 2 8 c 2 5 6 与眦i l 的接口电路 忱一 一一一一一一一一一一一一一一一一 。一眦 啷嗽嘞呻附啷啷嘟 肿一旺一2苎；一慨加舭址斛筋舶朋肚的舢肌舭心脒 伽麟 一一一一一蚩一一一一蕊i上 一卜 一 猢n 河海大学硕士论文第四章a w g 硬件电路设计 4 1 3a r m 与c p l d 接口电路的设计 在本系统中，单片机对c p l d 的控制与通信可分为两类，一是a r m 将采集的波形数 据发给c p l d ，并由其存储于波形存储器中；二是a r m 将设定好的控制字发给c p l d ，并 由其从波形存储器中读数据，控制波形输出。这就要求在通信接口中不仅要有传输波形坐 标及参数数据的端口，还要有工作方式的控制口。 用并