（电力电子与电力传动专业论文）带有lan接口的dds函数发生器的研究.pdf

西华大学硕士研究生论文 综上所述，由本设计应用的理论和实现的功能可以得出：本函数发 生器可以方便的进入远控状态和本控状态，以低成本实现较高的性能并 且具有很大的扩展性，为进一步研制l x i 总线程控仪器做了前期准备。 关键字：f p g a ，数字频率合成技术，s c p i ，l a n i i 西华大学硕士研究生论文 r e s e a r c ho fd d sf u n c t i o ng e n e r a t o rw i t h l a ni n t e r f a c e t h es p e c i a l t yo f p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e r d r i v e s m a s t e rl i ub ot u t o r y a n gj i n g c h a n g l x i ( l a n b a s e de x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) i san e wi n s t r u m e n t i n t e r f a c ec r i t e r i o n ，w h i c hi se s t a b l i s h e db ya g i l e n tc o r p o r a t i o na n dv x i s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yc o r p o r a t i o ni np a l o a l t oo fc a l ，o ns e p t 2 0 0 4 b a s e do nt h ef a m o u se t h e m e tt e c h n o l o g y , l x ie x t e n d st h el a n g u a g e s ， c o m m a n d sa n dp r o t o c o l s ，c o n s t i t u t e san e wm o d u l a f i z a t i o ni n s t r u m e n t i n t e r f a c es t a n d a r do f a u t o t e s t i n gs y s t e m f o l l o w i n gt h ew o r l di n s t r u m e n ti n t e r f a c et e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t ，i s e l e c tt h ep r o g r a m - c o n t r o l l e di n s t r u m e n tw i t hl a n i n t e r f a c e ，w h i c hi st h e h a r d w a r eo fl x i ，a sm yr e s e a r c h se m p h a s i s a ts a m et i m et h i sp r o g r a m - c o n t r o l l e di n t e l l i g e n tf u n c t i o ng e n e r a t o ri s o nb a s i so fd i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z et e c h n o l o g y ( d d s ) ，a n dt h i st e c h n o l o g yi s ab r e a k t h r o u g hi nt h ed o m a i no f 仔e q u e n c ys y n t h e s i z et e c h n o l o g yw i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , d i g i t a li n t e g r a t i o nc i r c u i ta n dm i c r o e l e c t r o n i c a l l y t e c h n o l o g y a d v a n c e dd i 百t a ls i g n a ld i s p o s a lt h e o r yw a si n t r o d u c e di n t o s i g n a ls y n t h e s i z ed o m a i n ，a n dn e wr e s o l v e sf o ri m p r o v i n gs i g n a l s s t a b i l i t y o f 丘e q u e n c yi sp r o v i d e d t h i st e c h n o l o g yt a k e sa d v a n t a g eo ff a s t1 j r e q u e n c y c o n v e r s i o n ，h i g hr e s o l u t i o n ，l o wp h a s en o i s ea n ds oo n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d ，s t u d ys i g n i f i c a n c ea n d p r i n c i p a lo fw e bt e s t i n g & c o n t r o l l i n gs y s t e m sa n dd d st e c h n o l o g y , a n dt h e n p r o v i d e st h ed e b u g g i n gp r o c e s si nd e t a i l t h en ii n s t r u m e n tb o a r d a d o p t sp o w e r f u lg r a p h i c a ll a n g u a g e ( g l a n g u a g e ) t op r o g r a m ，a n dp r o g r a m m i n gi sc o n v e n i e n t ，t h ei n t e r f a c eo f i i i 西华大学硕士研究生论文 h u m a nm a c h i n ei sv i s u a l ，f r i e n d l y ；t h ei n s t r u m e n ta d o p t st h et e c h n i q u eo f p a r s i n g t h e s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ) c o m m a n d st om a k eo fi n s t r u m e n t si n t e r f a c ec h a n n e l s t h i ss c p ii s a n i n s t r u m e n tc o m m a n dl a n g u a g eb a s e do na s c i i ，b e c a u s ee v e r yi n s t r u m e n t m a n u f a c t u r e rm u s ta b i d eb yt h i ss t a n d a r d ，t h ec o m p a t i b i l i t ya n dp e r f o r m a n c e o f e a s yt ou s eb e t w e e ni n s t r u m e n ta n ds y s t e ma r ee n s u r e d ；b e s i d e si ti sa sa n i n d e p e n d e n ti n s t r u m e n t ，b e c a u s et h i sg e n e r a t o ri so fl a ni n t e r f a c e ，a n dc a n c o n v e n i e n t l yb ec o n t r o l l e db yc o m p u t e rr e m o t e l y , i ti sl i k e l yt ob ec o n n e c t e d i na u t o t e s t i n gs y s t e m t h i sf u n c t i o ng e n e r a t o rc a np r o d u c et h e s ef o u rs i n e a n ds q u a r ea n dt r i a n g l ea n ds a wt o o t hs i g n a l s ，i so f4 0 m h z b a n d w i d t h ，a n d i t s 盘e q u e n c yr e s o l u t i o ni s1h z f r o ma b o v ea l l ，f r o mt h e t h e o r yu s e da n df u n c t i o nr e a l i z e di nt h i s d e s i g n ，i t i sc o n c l u d e dt h a tt h i sf u n c t i o n g e n e r a t o r c a ne n t e ri n t o r e m o t e c o n t r o ls t a t ea n dl o c a l c o n t r o ls t a t ee a s i l y , i ti s e a s yt ob eb e t t e r m e n t ， a n di th a sw i d e a p p l i c a t i o nf u t u r e i t i sp r e p a r a t i v ef o rt h er e s e a r c ho f p r o g r a m m e d - c o n t r o l l e di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n te m b e d d e dl x ii n t e r f a c e k e y w o r d s ：f p g a ，d i r e c td i g i t a ts y n t h e s i z e ( d d s ) ，s c p i ，l a n i v 西华大学硕士研究生论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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己经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华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工作所作的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：划洒 一嘶 文年5 只| 9 日 o 年6 月t o 日 西华大学硕士研究生论文 1 1 引言 第一章绪论 2 0 0 4 年9 月1 4 日，a g i l e n t 公司与v x i 科技公司共同推出基于l a n 的一种适 用于自动测试系统的新一代模块化测量仪器接口标准l x i ( l a n b a s e d e x t e n s i o n sf o ri n s t r u m e n t s ) ，即l a n ( 局域网) 的仪器扩展。它将会成为能够 与其它各种总线和测试系统兼容，充分利用各种系统的资源和优势而迅猛发展 的新代总线标准。由于l x i 是以l a n 为基础，因此，带有l a n 接口的程控仪器 的成功研制就成为向新技术成功飞跃的捷径。 同时直接数字频率合成器( d i r e c td i g i t a if r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 简称d d s 或d d f s ，将先进的数字信号处理理论和方法引入到信号合成领域，是频率 合成技术领域的新的突破。 由于本课题同时采用了网络接口技术和函数发生d d s 技术，下面就将这 两种技术的发展背景、意义及其在国内外的发展状况分别作一下概述。 1 2 网络测试系统的概念、发展现状及研究意义 1 2 1 网络溺q 试系统的概念 随着自然科学技术的不断发展，多种学科的仓u 新和融合，测量仪器和计 算机技术以及通信技术的互动，使人们对测试过程、测试目的以及测试结果 都有了新的要求，对电子测量与仪器的要求也越来越高。测试项目和测试范 围与日俱增，测试速度和测量精度的要求不断提高，迫切要求测量技术不断 改进与完善，自动测试系统便应运面生。 自动测试技术是近代发展起来的系统是一门新兴技术，它将计算枧技术、 软件技术、智能仪器、总线与接口技术等有机地结合在一起。“】真正高速、 高精确度、多参数、多功能的自动测试系统，是电子测量技术与自动控制和 西华大学硕士研究生论文 电子计算机技术密切结合的成果，是电子测量仪器数字化与数字信息系统相 结合的产物嘲，能避免了人为因素的误差，可获得十分良好的测试复现性； 通过进行大量的冗余测量，进行判断、分析和折算，可以在很大程度上消除 或削弱随机误差和系统误差，从而获得极高的测量精确度。 计算机通信技术的迅速发展，有力的推动了测试仪器网络化的发展，人 们希望对仪器的控制能突破传统的地域和空间的限制，在这样的情况下，网 络测试仪器发展起来。传统的网络通信，大多数嵌入式设备仍处于孤立应用 阶段，为了实现多个m c u 之间的信息共享和交流，通常利用c a n 、r s 2 3 2 和 r s 4 8 5 等总线组成网络，实现信息的交换，但是这些网络传输距离短，而且 数据在传输过程中，容易受到外部干扰，可靠性差，而且孤立于i n t e m e t 网 以外，如果能把嵌入式设备直接接入i n t e m e t ，就可以用方便、低廉的方式实 现信息的交流与共享。因此，基于e t h e r _ n e t 网络仪器的研究具有非常重要的 意义。 所谓网络仪器，就是指服务于人们从任何地点、任何时间都能够获取到 测量信息( 或数据) 以及对仪器进行远程控制的所有硬件、软件的有机集合， 已经远远超出了传统单个独立仪器的范畴，也不是传统单个式独立仪器的组 合，而且少不了电子化信息传输媒介，即电子化的信息载体。嘲没有电子化 信息载体的介入，在任意时刻、从任何地点获取测量数据是根本不可能的。 把t c p f l p 协议作为一种嵌入式的应用，嵌入到智能测控仪器的r o m 中， 使仪器之间信号的接收与发送都以t c p i p 方式进行，这样，测控系统在对仪 器进行控制以及仪器中断向上位机传送数据时都以i n t e r n e t 为依托，将测控 网和企业内部网以及i n t e m e t 连接起来。在这样构建的网络中，信息可跨越 网络传输到任何领域，实时、动态( 包括远程) 的在线控制得以实现。 1 2 2 网络测试系统的发畏现状及研究意义 随着科学技术的进步和生产发展对测试系统不断提出颏的要求，按已有 的测量仪器与系统总线标准组建的系统仍受距离、仪器台数等的限制。因此， 人们也越来越希望把各种智能仪器仪表与计算机连接起来进行通讯，并且用 计算机技术及网络通讯技术来扩展自动测试系统的空间，从而使电子测量由 2 蓖华大学硕士研究生论文 独立的单台仪器向大规模的自动测试系统的方面发展。各国科学家和技术人 员在智能仪器仪表的基础上研究了网络化智能仪器仪表，使智能仪器仪表在 实现智能化的基础上同时实现网络化，使现场测控参量就近登临网络，并具 备必要的信息处理功能。现场智能仪器仪表与网络通讯线缆连接，使得现场 智能仪器仪表与普通的计算机一样成为网络中的独立节点，信息可以跨越网 络传输所能及的任何领域进行实时动态的在线测控功能( 包括远程) 。 近些年，随着计算机技术、网络通讯技术和测控技术的发展与相互结合， 国内外不断发展适合远程测控的网络化智能仪表仪器，实现网络测试系统己 成为现代测试测量行业的重要发展方向。 目前，最重要的一点变化是扩展了w e b 技术的应用，特别是扩展了传输 控制协议网络协议( t c p 口) 、浏览器和嵌套服务器的应用。比如：通过 g p i b - e t h n e t 转换器、r s 2 3 2 r s 4 8 5 - t c p i p 转换器，将数据采集仪器的数 据流转换成遵循t c p i p 协议的形式，然后上i n t r a n e t i n t e r n e t 网，使现场仪器 直接具有i n t r a n e l i n t e m e t 功能。网络通过释放系统的潜力，打破了在同一地 点进行采集、分析和显示的传统模式，依靠i n t e m e t 和网络技术，人们将能 够有效的钡4 控远程仪器设备，在任何地方进行采集、在任何地方进行分析、 在任何地方进行显示。 网络化测试仪器不是建立在虚幻的概念之上，而是已经在现实中得到广 泛的应用，比如近些年出现的网络流量计、网络传感器、网络化示波器和逻 辑分析仪以及网络化远程抄表系统就是很好的例予。不久的将来越来越多的 测试和测量仪器仪表将融入i n t e m e t 。基于网络的自动测试系统正处于不断的 发展之中，具有十分广泛的应用前景。 1 3d d s 技术的发展背景、意义及近年来的国内外发展概况 1 3 1d d s 技术的发展背景。意义 在工业自动化系统中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号。 随着工业的发展，对信号的保真度、频率的稳定性和准确牲幅值睑稳定性j _ 一 提出了越来越高的要求，作为电子系统必不可少的组成部分的信号源，在很 ，- _ h _ _ - _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ 一 3 西华大学硕士研究生论文 大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。传统的信号 源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大、 灵活性与准确度差。而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高，而且 还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。所以要实 现高性能的信号源，必须在技术手段上有新的突破。1 5 】【6 】 随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展，频率合成技术有了新 的突破宜接数字频率合成技术，它是将先进的数字信号处理理论与方法 引入到信号合成领域的一项新技术，它的出现为进一步提高信号的频率稳定 度提供了新的解决方法。同时，随着微电子技术的迅速发展，尤其是微控制 器的发展，智能仪器也有了新的进展，功能更加完善，性能也更加可靠，智 能程度也不断提高。l ，j 频率合成就是通过参考源产生高精度新的频率信号，其输出指标，尤其 是精度方面，皈蒺手参考源_ 獗障霭丽丽葫菇硅五西函磊享三千砸藐三! = i j 森 左右，苁早丽丽直接模拟频率合成技术( d a s ) 到第二代锁相环频率合成技 术( p l l ) ，直到目前较先进的直接数字式频率合成技术( d d s - d i r c c td i g i t a l s y n t h e s i z e r ) ，经历了三个发展阶段，下面分别作一下介绍： 直接模拟合成d a s 是用硬件对高稳定的参考源频率进行加、减、乘、除 得出所需频率，可实现快速频率转换、高频率分辨率。其优点是输出频率高， 频率切换速度快，输出相位噪声低。但由于采用大量模拟电路，电路复杂， 容易产生过多的谐波和杂散分量，大多数硬件的非线性影响无法滤除。1 7 1 不 稳定因素多，难以实现集成化。 波形产生的第二个里程碑是基于锁相环( p l l ) 技术的函数发生器的开 发。 锁相环技术( p l l ：p h a s el o c k e dl o o p ) ，它是一种间接的频率合成方法， 即把一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频和分频等一系列非线性 器件，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器( v c o ) 的 频率锁定在某一组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。它 的优点在于可以很好的选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大 4 西华大学硕士研究生论文 量使用滤波器，结构简单，利于集成化，但系统固有的惰性限制了频率转换 的速度，频率间隔不能做得很小，且系统内插入的压控振荡器带来了新的噪 声比较大的问题。r 玎嘲 直接数字频率合成( d d s ) 是一种基于波形存储的频率合成技术，综观 整个d d s 技术的发展历程，我们把它大体上分为三个阶段： ( 1 ) 2 0 世纪7 0 年代，这个时期美国人j t i e m c y 提出了d d s 的概念和主要 原理唧，引起了国际学术界的广泛重视，许多人开始接触全新的d d s 技术。但由于当时的工艺和技术原因，d d s 技术远远不能够达到实用， 这个时期的发展十分缓慢。 ( 2 ) 2 0 世纪8 0 9 0 年代，学术界掀起了对d d s 谱质进行研究的热潮。许 多学者开始从理论上研究d d s 输出杂散较大这一阻碍其发展的瓶颈 问题。n i c h o l a s 建立了杂散信号模型，对d d s 相位截断引起的杂散进 行了深入的探讨，并以数论为基础得到了一些有益的结论。随后， g a r v e y 和b a b i t c h 从波形分析角度、k r o u p a 从傅氏角度都进行了类似 的讨论。在深入研究、认识了d d s 杂散成因及其分布规律后，对d d s 杂散抑制的成果便不断出现。其中包括戤d 乜s 相位累加器的改进、 r o m 数据压缩、抖动注入技术的使用、利用扰码来砩臻蔽双及对 d d s 工艺结构和系统结构的改进等等。这一阶段，d d s 的理论基础 更加完善，一些d d s 技术的关键问题被解决。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代至今，由于理论上的完善、工艺的提高、以及实现方 式的简便化，促成了a d 、q u a l c o m m 和s t a n f o r d 等公司一系列性能优 良的d d s 器件不断出现，一些芯片的工作频率可：匿j i 蕊珐频率分辨 率可达m h z ，排除d a c 限制，杂散指标可达7 0 d b 以下。羽用这些专 用芯片，惠普、泰克等公司开始研制基于d d s 的各种信号源。可以 说，d d s 技术到了一个空前繁荣的历史时期。【l o 】 d d s 技术之所以如此倍受瞩目，因为它有许多优点。与传统频率合成技 术相比，d d s 具有以下几个突出的优点【1 l 】【l o 】， ( 1 ) 极高的频率分辨率 西华大学硕士研究生论文 有a f = 厂n f i n = f c 2 “可知，只要增加相位累加器的位数n 即可获得任 意小的频率调谐步进。大多数d d s 的分辨率在h z ，m h z 甚至u h z 的数量级。 ( 2 ) 超高速的频率转换时间 d d s 是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间主要由l p f 附加 的时延来决定。如f c = 1 0 m h z ，转换时间即为l o o n s ，若时钟频率升高，转换 时间将缩短，但不可能少于数字门电路的延迟时间。目前d d s 的调谐时间一 般在瑚级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 ( 3 ) 相位噪声低、变频相位连续 d d s 系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合 成信号的信号噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数d d s 系统应用中， 一般由固定的晶振来产生基准频率，所以其相位噪声和漂移特性是极为优异 的。 ( 4 ) 连续的相位变化 同样因d d s 是一个开环系统，故当一个转换频率的指令加在d d s 的数 据输入段时，它会迅速合成所要求的频率信号，在输出信号上没有叠加任何 电流脉冲，输出变化是一个平稳的过渡过程，而且相位是连续变化的，这个 特点也是d d s 独有的。 ( 5 ) 全数字化极易实现计算机全自动化控制，集成度高、容易实现小型化。 但由于d d s 的全数字结构，也带来了两个缺点：输出杂散较大和输出带 宽受限。抑制输出杂散的两种设计方法( 优化波形存储表和修正d d s 的结构) 广泛采用降低了输出信号的杂散分量，并且随着微电子技术的进步与技术的 改进，d d s 输出带宽的受限问题己逐步克服。但随着d d s 输出带宽的扩展， d a c 的非理想特性特别是动态响应特性对输出杂散的影响越来越严重，因此 一段时间内这也是一个重要研究课题。i s 因为d d s 具有的优点对于保密通讯，快速电子对抗，多普勒模拟，核磁 共振成像，电子测量仪器等领域有极大的吸引力，从而推动着人们对d d s 技术的研究与改进，并取得了很大的成功。特别随着集成电路制造工艺的改 进与提高，目前已有很多公司( 如a d 公司、1 1 公司、q 1 1 a l c o m n 公司) 都 推出了高性能的d d s 专用芯片。而在电子测量仪器领域，由于采用了d d s 6 西华大学硕士研究生论文 技术，使得高精度的标准信号源以及任意波发生器的电路大大简化，性能大 幅度提高，并且使仪器制造成本大幅度降低，体积大大缩小。因此，在电子 测量仪器领域d d s 技术得到越来越广泛的使用。有人预言，随着高速微电子 技术的进一步发展，d d s 信号源将成为整个电子工业界信号源的主流。i t 2 1 3 2d d s 技术近年来的国内外发展概况 运用d d s 技术生产的d d s 任意波形信号发生器及高精度标准函数信号 发生器在工业测试、航天电子、国防、高等教育等领域有着极为广泛的应用， 国际知名的专业电子测量仪器制造商( 如美国的t e k 公司、a g 几e n t 公司、 f l u k e 公司、l e c o r y 公司、日本的i w a t s u 公司、y o k o g a w a 公司、 n f 公司) 都推出了多系列适于不同用途的高性价比的产品。 一些高端的信号发生器甚至可以产生通讯信号。同时输出波形的频率分 辨率、频率精度等指标也有很大的提高。如h p 公司的h p 3 3 1 2 0 可以产生l 0 m h z 1 5 m i - l z 的正弦波和方波，同时还可以产生! 鲍出z = 5 m h z 鞠轻意波氆! 一 任意波形深度1 6 0 0 0 点，采样率4 0 m ，还具备了调制功能，可以产生a l v l 、 f m 、f s k 、猝发、扫频等信掣1 3 1 。h p 公司的h p 3 3 2 5 0 可以产生1u h z 一8 0 m h z 的正弦波和方波，产生l u h z 到2 5 m 的任意波形，任意波形深度6 4 k 点，采 样率2 0 0 m t l 4 1 。同时也具备了a m 、f m 、f s k 、猝发、扫频等功能。b k p r e c i s i o n 公司的4 0 7 0 a 型函数级任意波形发生器正弦波和方波输出频率 d c - 2 1 5 m h z 、频率分辨率1 0 m h z 。同时还具有a m 、f m 、p m 、s s b 、b p s k 、 f s k 、猝发、d t m fg e n e r a t i o n 和d t m fd e t e c t i o n 的功能。并且具有了和p c 机良好的接1 2 ，可以通过w i n d o w s 界面的程序进行任意波形的编辑。【l 卅 在国内，高精度的标准信号源产品较少且技术落后，可靠性差。并且对 d d s 的研究起步较晚，主要还局限于理论和实验阶段，d d s 芯片几乎还是空 白，与国外发达国家水平相比差距比较大。现有的基于d d s 技术的函数发生 器国内还处于研制阶段( 国外已有产品，如h p 3 3 1 2 0 ) 。国外生产d d s 芯片 的公司较多，目前国内主要使用美国a n a l o gd e v i c e s ( a d 9 8 x x ) 、q u a l c o m 公司( 如：q 2 2 2 0 、q 3 2 1 6 1 、q 2 3 3 4 、q 2 2 3 0 c 等) 和a d 公司( 如a d 7 0 0 8 等) 的产品。由于d d s 技术在波形合成方面的种种优点，以及随着国内电子、 7 西华大学硕士研究生论文 电信事业的发展，对任意波形发生器的要求的不断提高，尽快研制出我们自 己的相关产品对我国的国防、科研、教育有着重要的意义。 1 6 1 基于以上的原因，本课题以d d s 技术在函数任意波形发生器方面的应 用做了一些研究。 1 4 本课题的主要研究内容 研究了d d s 频率合成器的基本原理和结构； 利用f p g a 芯片a c e x1 k 3 0 实现d d s 函数发生器的硬件及软件设计； 设计上位p c 机虚拟仪器控制程序； 将上位p c 机虚拟仪器控制程序、接口转换卡、d d s 函数发生器模块等 联调，实现本函数发生器的全部功能。 8 西华大学硕士研究生论文 2 1 引言 第二章直接波形合成技术 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 字形式存入波形，由高速数模转换器产生所需要的任意波形。 2 2 函数发生器的基础知识 函数发生器可以被看成是数字波形合成器。波形数据被数字地存储在_ r a m 当中，通 x ： l d a 将一个数字量转换成模拟量。波形转换速度是由控制地址发生 器( 图2 1 ) 的时钟控制的。通过改变r a m 中的数字量来实现模拟信号的改变。 【1 6 】 f i g u r e 2 1t h es m l c u n - ed i a g r a mo f a r b i t r a r yw a v eg e n e r a t o r 图2 1 任意波形发生器结构框图 图2 1 中的地址发生器是指任意波形发生器的波形输出机制。如果将波形 r a m 看作是磁带记录，那么地址发生器就是能够向前或向后播放的磁带记录 9 西华大学硕士研究生论文 机。地址发生器是通过向r a m 输送一定顺序的地址来实现的，每一个新的时 钟到来时提供一个新的地址( 这里指采样时钟) 。 最简单的地址发生器就是计数器。每来一个时钟计数器就加1 直到加到计 数器的最大值，然后再从零开始。如果把计数器的输出作为r a m 的地址输入， 那么波形就会连续的输出了。波形输出的频率直接由采样时钟频率来控制。这 种以计数器为基础的地址发生器结构简单，缺点就是整个波形r a m 的内容都必 须连续输出。 另一种稍微复杂的地址发生器如图2 2 所示。它允许计数器在任何地址处开 始或终止，同时可以在触发信号下重复某一地址数次。输出频率f o u t 可用下 式表示：f o u r = f d k ( 结束地址一起始地址) 。 f i g u r e2 2t h ed i a g r a mo f a r b i t r a r yw a v eg e n e r a t o r w i t hf a s t a d d r e s s , e n d a d d r e s s a n d t l l e w a v er e p e a t t i m e 图2 2 带起始地址、终止地址和波形重复次数的任意波形发生器框图 公式中f c l k 为时钟频率，这里假定计数器是逐个递增的，因此r a m 的每 一个点都要访问到。如果想要计数器能按任意数递增该怎么办? 例如，如果想 让计数器每个时钟递增两个数，那么也就是每隔一个点访r a m 。这样只有一半 的波形数据从d a c 输出，也即波形的频率提高两倍。这种情况下输出波形的频 率如公式( 2 1 ) 所示； 1 0 西华大学硕士研究生论文 f o u t = f d k ( 结束地址一起始地址) ( 增量) 式( 2 1 ) 从公式( 2 - 1 ) 可以看出波形输出频率可以通过改变增量来改变。但如果增 量总是整数，波形输出频率的精度就会受限。如果能把增量变成小数，那么波 形频率的精度就会大大提高。事实上这点是可以做到的，这就是相位累加器， 它是直接数字合成技术d d s 的核心部分。在任意波形发生器中，相位累加器可 以用来改进地址发生器。 2 3d d s 技术 直接数字频率合成技术的出现改变了以往的采用r c 振荡电路、直接频率合 成、锁相环等传统的频率合成方法，它是从相位的概念出发来进行频率合成的， 当信号相位不同时，输出电压幅值也是不同的。当输出波形信号频率不同时， 信号从一个相位变化为另一相位所需的时间也是不同的，因此可以根据输出波 形信号频率的不同，选取不同的相位控制。合成信号的频率切换速度快，频率 切换时相位连续，并且信号的初始相位可以精确控制，便于程控，不仅可以合 成正弦波信号，还可以合成其它周期的任意波形信号。 2 3 1d d s 的工作原理 直接数字频率合成技术是根据奈奎斯特取样，从连续信号的相位出发将 一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存于r o m 中。合成时， 通过改变相位累加器的频率控制字，来改变相位增量，而相位增量的不同将导 致_ 企蔚萌丙取样点的禾厨广改变频萃。在采样频率不变的情况下，通过改变 _ 相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位幅值量化的数字信号通过d a 变 换及低通滤波器( l p f ) 即可得到合成的相位变化的模拟信号频率1 刀【1 鄹。 2 3 1 1d d s 原理 由采样定理可知，所产生信号的频率不高于时钟频率的1 陀。图2 3 为一个 频率是时钟频率l 8 的正弦波的相位积累图。单位圆表示出每个时钟周期相位积 累石4 的过程。圆上的点代表给定时间的相位值，正弦波表示相应的幅值。正 西华大学硕士研究生论文 弦幅值查询表中有相位对幅值的变化。要注意的是每个时钟周期相位增加石4 弧度。 咿 3 f i g u r e2 3 d d ss c h e m a t i cd i a g r a m 图2 3 d d s 原理图 通过对单位圆复平面上的采样点的分析，可以得知在频率范围内的任一频 率加均可以表示为最低输出频率的倍数，即： f o = k - a 式( 2 - 2 ) 改变频率指数七就可以获得不同的输出频率；用频率指数七的累计代码表 示复指数的相位，并用相位累加器产生该相位；通过复指数的相位值，经过计 算就可得到正弦函数的取样值。后的不同，影响相位累加器输出的增量，从而 改变了频率。如果相位累加器的长度为n 位，时钟脉冲频率为乃，频率控制字 为七，这时最高进位脉冲的输出频率为k 等。可见，相位累加器的长度n 决 定了累加器输出的数字阶梯波的精度，n 越大，精度越高，这实际上也决定了 脉冲输出d d s 的频率分辨率。 即当d d s 的时钟频率为彤，相位累加器的位数为n ，当频率控制字为k 时， 可得d d s 的输出频率为： f o = k 等 式( 2 - 3 ) 由此可见，d d s 相当于一个分频器。当k = i 时，即可得至u d d s 的频率分辨 西华大学硕士研究生论文 率为： 1 无= 寿力 式( 2 - 4 ) 二 d d s 的结构表明：d d s 输出信号的频率分辨率是由相位累加器的位数决 定；相位分辨率由r o m 的寻址位数决定；幅值分辨率p r d a c 的位数决定【嘲。 根据奈奎斯特采样定理，对于任意一个频率带宽为f 的连续信号f i 0 ，可以 用一系列离散的取样值f i t l ) ，f i t l + r ) ，f i t l + 2 t ) 、表示，只要这些取样点的时 间间隔t d , 于f 2 ，则这样的表示是完整的，包含了连续信号f l t ) 的全部信息。 因此，对于一个周期的正弦波连续信号，可以沿其相位轴方向，以等量的相位 间隔对其进行相位幅值取样，得到一个周期的正弦波信号的离散相位幅值序 列。由于这个取样过程所得到的取样幅值是随正弦波信号幅度连续变化的，仍 然是一个模拟量，根据合成波形的精度要求，可以采用最接近的整数值来表示， 即对模拟幅值迸行量化，量化后的幅值采用相应的二迸制数据迸行编码。这样 就把一个周期的正弦波连续信号转换成为一系列离散的二进制表示的数字量， 然后通过一定的手段固化在r o m 中，每一个存储单元的地址即是相位取样地 址，存储单元的内容就是已经量化的正弦波形幅值。这样的r o m 就构成了一个 与2 兀周期内相位取样相对应的正弦函数功能表，因它存储的是正弦波形幅值， 所以又称作正弦波形存储器 2 0 i 。在直接数字合成器中，正弦波形存储器的字节 数决定了相位量化误差。 由于d a 转换器实际上是以固定的时钟频率1 c 来对不同的正弦波迸行取 样合成的，随着输出频率的增加，相位取样数目减少，相位量化误差加大，量 化噪声和杂波加大，根据采样定理的条件即合成一个输出波形。在每一个周期 至少需要两个采样点的要求，d d s 在理论上输出的最大频率五。弦2 ，但在 实际工作中厶r 。4 0 r f c 。 2 3 i 2d d s 构成 d d s 是由标准晶振参考源、频率控制寄存器( f c r ) 、相位累加器( p a ) 、波 形查询表r o m 组成。其中，相位累加器是由相位加法器和相位累加寄存器组成。 其基本原理结构如图2 4 2 ”。 西华大学硕士研究生论文 l - f i g u r e2 4d d s s t r u c t u r ed i a g r a m 图2 4d d s 结构图 图中的参考频率源( s y s c l k ) 是一个高稳定的振荡器，其输出信号用于 提供d d s 中各部件同步工作。n 位频率控制寄存器用于接收外部控制器送来的 频率控制字，并把这些数据送到n 位相位累加器中的相位加法器数据输入端。 每来一个时钟脉冲，相位加法器就将频率控制寄存器输出的频率控制字与相位 累加寄存器输出的相位数据相加，相加后的结果送至相位累加寄存器的数据输 入端。相位累加寄存器则将相位加法器在上一时钟周期作用后所产生的新相位 数据反馈到相位加法器的输入端，以使相位加法器在下一个时钟的作用下继续 与频率控制字相加。这样，相位累加器在参考频率时钟的作用下，不断对频率 控制字进行线性相位累加，当相位累加器产生一次溢出时，则完成一次周期性 操作，这个周期就是a 3 d s 合成信号的周期，相位累加器的溢出频率就是d d s 输 出的信号频率。相位累加器实际上就是以2 ”为基准、受频率控制字控制而改变 的计数器，它累积了每一个参考时钟内合成信号的相位变换，输出的数据对应 于等时间问隔内合成信号的相位。用这些数据作为地址，对正弦幅值查询表 r o m 3 睦行寻址，经正弦幅值查询表r o m 进行相位一幅值转换，这样即可在给 定的时间上确定合成器输出的波形幅值圆。 d d s 技术是建立在采样定理的基础之上的，可以看作是采样、量化、编码 的逆过程。我们知道，任何波形的时域形式都是时间与幅度的一种对应关系， 这是由波形的三个参数频率、相位和幅度决定的。而事实上，对于种确 定的波形，其相位和幅度的关系也是确定的。d d s 就是利用相位和幅度的确定 1 4 西华大学硕士研究生论文 关系来实现波形的存储的，即是将一个周期的正弦波形按照一定的相位间隔和 幅度精度存在波形查询表r o m 中。根据采样定理，再现各采样时刻的幅度即得 所要合成的信号，理论上，合成信号的频率不超过采样时钟频率的一半。采样 时钟一定，信号频率不同，样点数也不同。这样就可根据采样时钟频率以及相 位累加器的位数计算出与所要合成的频率相对应的采样间隔，即频率控制字， 相位累加器在时钟的触发下对该频率控制字进行累加，就可产生信号的相位， 然后去寻址正弦幅值查询表r o m ，得到采样时刻的波形幅值信息，再经 x j - l d a c 形成模拟波形，低通滤波后就得到所要合成的模拟信号】。 2 3 1 3 叻s 的特点 d d s 是现代新型的频率合成技术，具有模拟( 包括数字式) 频率合成难以 比拟的优点，是改善和简化频率合成技术的有力工具。基于d d s 的组成和工作 原理，可以看出它具有下列若干特点 7 2 4 3 。 1 ) d d s 具有超宽的频率带宽 d d s 的频率控制字k 由n 位的二进制数组成，即使用n 位二进制相位累加 器，故频率分辨率等于最低输出频率五= 乃2 ，只要n 足够大，即相位累加 器的位数具有足够长度，总能得到所需的频率分辨率，输出频率由频率控制字 决定。根据采样定理，d d s 的最高输出频率应小于夕2 ，实际应用中，考虑 到输出滤波器的非线性影响，一般只能达到弦的4 0 0 , 6 。因此d d s 相对带宽为 j o m a x ：4 0 式( 2 - 5 ) c 其超宽的频率带宽是传统频率合成技术不可比拟的。 2 ) d d s 具有超高的频率分辨率 d d s 的最小频率步进量就是它的最低输出频率，即 o f o r a i n = 等 式( 2 - 6 ) z 可见只要相位累加器有足够的字- k n ，实现非常精密的分辨率也没有多大 的困难，例如可以实现的h z 、m h z 、u h z 的频率步进量。d d s 如此精细的频率 西华大学硕士研究生论文 分辨率，输出频率己十分逼近连续变化，再加上超宽的相对带宽，这对于用作 高性能信号发生器是十分方便的。 3 ) 频率转换时相位保持连续 k n n s 的原理可知，在改变d d s 的输出频率时，实际上改