（电力电子与电力传动专业论文）基于pci总线的任意波形发生器.pdf

西华大学硕士学位论文 4 介绍了控制软件的设计，通过使用虚拟仪器技术完成友好的人机操 作界面的程序设计，实现了生成标准波形和任意波形的功能，同时介绍了 使用w i n d r i v e r 软件快速编写底层控制软件的方法。 5 根据设计要求制定了测试方案，针对调试和测试中出现的问题，提 出了一些实际的解决措施。最后的测试结果基本达到了设计要求，并给出 了主要的测试结果。 关键词：任意波形发生器，d ds ，p c i 总线，sd r a m ，程控滤波器 j 1 西华大学硕士学位论文 a 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 i lp c ib u s p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e m a s t e r ：q i u d a q i a n ga d i s o r ：h u b i n g w i t ht h e a p p l i c a t i o n o ft h ee l e c t r o n i ca n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y i n m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，an e w s i g n a lg e n e r a t o r - 一a r b i t r a r yw a v e f o r m g e n e r a t o r ( a w g ) e m e r g e sa st h et i m e sr e q u i r e i ti sw i l d l yu s e di nt h em o d e r n t e s t i n gf i e l d i nt h ep a p e r ，an e wt y p eo fa w gi sp r e s e n t e df o rt h eu b i q u i t y p r o b l e m sw h i c hh a sas m a l lm e m o r yr e s o u r c e sf o rw a v e f o r md a t a ，l o w s p e e d o rc o m p l e xt oh a n d l e i nt h ed e s i g n ，as c h e m et h a tu s e ds p e c i a ld d sc h i pa n dh i g h s p e e d s d r a mt oc o n s t r u c ta w gs y s t e mb a s e do nd d st h e o r yw a sp r o p o s e d i t m a d et h ea w gh a st h ef u n c t i o nt h a tc o u l dg e n e r a t el a r g es t o r a g ea n dl o n g p e r i o d i cw a v e f o r r no rr e p r o d u c ew a v e f o r r nw h i c hh a db e e ns a m p l e d b e c a u s e t h ep c ib u si sa h i g hs p e e db u st h a td a t aa n da d d r e s st r a n s m i t t e di nt h es a l r l e b u s ，w eu s eas p e c i a lp c c h i pt of u l f i l lt h ec o n t r o lt h a tp cc o m p u t e rt oc a r d i nt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h e p r o g r a m m a b l ec h i p ( f p g a ) t of u l f i l lt h e f u n c t i o no fs d r a m c o n t r o l l e r ，s y s t e mt i m i n gl o g i cc o n t r o la n di 0c o n t r 0 1 a tl a s ti tf i n i s h e dt h ed e s i g no fh i g hs p e e dd ac o n v e r s i o n ，f i l t e r , o u t p u td r i v e c i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g no fi n t e r f a c e t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e f o l l o w i n g ： 1a f t e ra n a l y z e dt h et h e o r ya n ds t r u c t u r eo fd d s ，as c h e m et h a tu s e s p e c i a ld d sc h i pa n ds d r a mt ob u i l ds y s t e mi sp r o p o s e d t h r o u g ht h i s s c h e m ew ec a l lg e ta na w gw h i c hh a sa h i g h r e s o l u t i o na n dh i g hs t a b i l i t y 2f i n i s h e da n a l o gc i r c u i td e s i g no fs y s t e m ，r e a l i z e dc o n t r o lt h a tp c i l l 西华大学硕士学位论文 c o m p u t e rt oc a r db yp c ib u s m e a n w h i l e ，as c h e m eo fm u l t i - f i l t e rh a sb e e n p r o p o s e da f t e rt h ea n a l y z e dt h eo fo u t p u tw a v e f o r m t h eu s e rc a nc h o o s e s u i t a b l ef i l t e rt oe n s u r et h ep u r eo fo u t p u tw a v e f o r m 3f i n i s h e dt h er e s e a r c ho fl a r g es t o r a g ea n du t i l i z i n gf p g at od e s i g nt h e s d r a mc o n t r o l l e r f u l f i l l e dl o n gp e r i o dw a v e f o r ms t o r a g e da n dr e s o l v e s y s t e m sm a i nl o g i cd e c o d ep r o b l e m s ，m e a n w h i l e ，i m p r o v e dt h ei n t e g r a t i o n a n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e m 4i n t r o d u c e ds o f t w a r ed e s i g na n dg o ta 行i e n d l yo p e r a t i o ni n t e r f a c eb y v i r t u a li n s t r u m e n t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ew a yo fu t i l i z i n gw i n d r i v e rt o b u i l dd l lf i l e 5m a k eo u tat e s ts c h e m ea c c o d i n gt od e s i g nd e m a n da n dp r o p o s e ds o m e e f f e c t i v es o l u t i o n st ot h ep r o b l e m sw h i c ha r ee n c o u n t e r e di ns y s t e md e b u g a t l a s tt h em a i nt e s tr e s u l tw h i c hi n d i c a t e dt h ed e s i g na c h i e v e st h ed e m a n d k e yw o r d 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 ，p c ib u s ，s d r a m c o n t r o l l e ，f i l t e r 西华大学硕士学位论文 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，论文中不包含其它 人已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：多产太_ 缓磷f 月7 z , l 了 导师签名：名a 夏协g 年岁月b 日 西华大学硕士学位论文 l 绪论 高精度的信号源在现代电子系统中占有十分重要的地位，它是进行科 学研究、开发新产品、测试和试验必不可少的工具，在通信、雷达、宇航 和遥控遥测技术等领域应用十分广泛。一般要求信号源具有频率稳定度 高，输出频率响应好，具有调制、调幅、调相等功能，而传统的模拟信号 源已远远不能满足要求，随着直接数字合成( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i s ，简称 d d s ) 技术的应用，产生了全数字化的信号源。新的信号源具有程控化、 智能化等特点，不仅在性能指标方面有质的飞跃，而且功能更多样化，操 作更简单。 1 1 波形发生器的发展概况 波形发生器是应用在测试设备、信号接收设备等装置中的一种信号源。 早在二十年代，当电子设备刚开始出现的时候，信号发生器就出现了。随 着电子技术的巨大进步，波形发生器根据其关键技术频率合成技术的 角度，大致可以划分成三代。 第一代的波形发生器采用的是直接模拟频率合成( d i r e c ta n a l o g f r e q u e n c ys y n t h e s i s ，简称d a f s ) 技术。该技术原理简单，易于实现。 它由模拟振荡器产生参考频率源，经谐波发生器产生一系列谐波，再经混 频、分频和滤波等处理产生大量的离散频率。其结构如图1 1 所示： f i g 1 1d a f sd i a g r a m s 图1 ，1 直接模拟频率合成框图 出 两华大学硕士学位论文 根据所使用的参考频率的数目不同可分为非相关合成方法和相关合 成方法两种类型。非相关合成方法使用多个晶体参考频率源，所需的各种 频率分别由这些参考源提供；相关合成方法只是用一个晶体参考频率源， 所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到，因而合成器输出频 率的稳定性和精度与参考源一样。 采用这种技术制作的函数发生器的优点是频率转换时间短、相位噪声 低，但由于采用大量的混频、分频、倍频和滤波等模拟硬设备，使频率合 成器的体积大、成本高、结构复杂、容易产生杂散分量，大多数硬件的非 线性影响难于抑制。 第二代的波形发生器采用的是模拟电路技术，其频率控制部分主要采 用的是基于锁相环( p h a s el o c k e dl o o p ，简称p l l ) 的间接频合成技术 【2 3 】【4 1 。p l l 是间接频率合成技术中的一个关键部分，它是一个负反馈环路， 是一个实现相位自动锁定的控制系统，其输出信号与参考信号相位同步。 原理如图1 2 所示。 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fp l l 图1 2 锁相环原理框图 该频率合成技术是利用一个或几个参考频率源，通过谐波发生器和分 频器等产生大量谐波或组合频率，然后用p l l 把压控振荡器的频率锁定 在某一谐波或组合频率上。这种波形发生器的优点是频率稳定和杂散抑制 好，调试简便。但由分立组件构成的振荡电路和整形电路，在产生各种波 形时，由于其锁相存在捕获时间问题，其频率切换速度比直接合成慢而且 频率间隔不可能做的很小。采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体 积庞大、准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波 形，难以产生较为复杂的波形信号。 西华大学硕士学位论文 目前市场上的基本属于第三代波形发生器，它们普遍采用的是d d s 技 术”j i 。d d s 是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成 原理。随着高速大规模集成电路技术的发展，d d s 技术日益显露出它的优 越性。基于d d s 技术的任意波形发生器利用高速存储器作为查找表，通过 高速d a 转换器对存储器的数据进行合成，它不仅可以产生正弦波、方波、 三角波和锯齿波等规则波形，而且还可以通过上位机或下位机编辑，产生 真正意义上的任意波形。例如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、 磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及神经脉冲之类的波形， 也能重演由数位示波器捕获的波形。其典型结构如图1 3 所示： 控制d d s 波形 d a 模拟 模块 斗 + 存储器 转换器 滤波器 面板 f i g 1 3d d ss c h e m a t i cd i a g r a m 图1 3 直接数字频率合成结构图 采用d d s 技术实现的任意波形发生器具有以下优点：1 、频率分辨率 高，输出频点多，可达2 ”个频点( 假设d d s 相位累加器的字长是n ) ；2 、 频率切换速度快，可达us 量级；3 、频率切换时相位连续；4 、可以输出 带宽正交信号；5 、输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作 用；6 、可以产生任意波形；7 、全数字化实现，便于集成，体积小，重量 轻。它在相对带宽、频率转换时间、相位连续、正交输出、高分辨率以及 集成化等一系列性能指标方面，己远远超过了传统频率合成技术所能达到 的水平，完成了频率合成技术的又一次飞跃。用这种方法产生线性调频信 号及其它复杂波形信号的技术日益受到重视，并得到广泛的应用。 1 2 波形发生器国内外现状 作为最为广泛应用仪器之一，任意波形发生器的研制引起了世界各国 西华大学硕士学位论文 的重视，纷纷投入人力、物力进行研制工作【7 】：如国外的安捷伦、力科、 泰克等公司，国内的有北京普源精电科技有限公司、成都动态科技有限公 司等等。其中安捷伦和泰克公司的产品性能相对较好，目前市场上有 3 3 2 2 0 a 、3 3 2 5 0 等产品【，国内的有l a 3 2 0 等一批产品。仪器有台式、p c 总线插卡式【l o 【1 1 】、v x i 模块式。仪器的垂直分辨率从8 位至1 6 位，采样 率越高时分辨率越高，它主要受d a 转换器和存储器性能的影响。任意波 形发生器的波形定义主要有面板设定、方程式设定、波形下载、软件设定、 数字示波器下载、内置编辑器等多种。用户的操作接口可以使用c c + + 、 v c 、v b 等文本编辑语言实现，也可以采用l a b v i e w 图形编辑语言实现【1 2 】。 随着芯片设计技术的巨大进步，现在的波形发生器主要采用d d s 技 术，并且大量的使用专用芯片来提高其产品性能。市场上生产d d s 芯片 的厂家众多，其中以a d i 公司的产品比较有代表性 1 3 1 。如a d 7 0 0 8 ， a d 9 8 5 0 ，a d 9 8 5 2 ，a d 9 8 5 8 等。系统的时钟频率从3 0 m h z 到3 0 0 m h z 不等， 其中的a d 9 8 5 8 系统时钟更是达到了1 g h z ，这些芯片还具有调制功能。 如a d 7 0 0 8 可以产生正交调制信号，而a d 9 8 5 2 也可以产生f s k 、p s k 、 线性调频以及幅度调制的信号。这些芯片集成度高，内部都集成了d a 转 换器，精度最高可达1 4 b i t ，同时都采用了一些优化设计来提高性能。如 这些芯片中大多采用了流水线技术，通过流水线技术的使用，提高了相位 累加器的工作频率，从而使得d d s 芯片的输出频率可以进一步提高。通过 运用流水线技术在保证相位累加器工作频率的前提下，相位累加器的字长 可以设计得更长，如a d 9 8 5 2 的相位累加器达到了4 8 位，而不是之前型号 的3 2 位，这样输出信号的频率分辨率将大大提高。 同时任意波形发生器软件技术的开发使任意波形数据的输入变得更 加方便和容易。虚拟仪器成为仪器发展的一个主流趋势，通过使用 l a b v i e w 或是l a b w i n d o w s c v i 等编程方式，将使得用户的操作接口更加 友好、操作更加简便【l “。 虽然d d s 技术的应用日益广泛，但目前可以产生任意波形信号的仪 器数量少、价格非常昂贵而且操作不方便。例如；在现代的通信对抗和无 线电监测研究中，人们多使用的是基于d d s 技术的任意波形发生器，使 西华大学硕士学位论文 用前需将所需波形的数据输入仪器，过程比较繁琐，信号参数改变时需重 新产生和输入数据，操作也不是很方便，使d d s 技术的使用受到了很大 的限制。目前的任意波形发生器主要采用静态r a m 作为波形数据的存储 器，其存储容量小，访问速度慢，产品的性能受到很大的制约。 目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来 说，我国波形发生器还没有形成真正的产业。我国目前在波形发生器的种 类和性能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。 1 3 论文的主要工作及结构安排 根据国内外任意波形发生器的发展现状，我们提出了研制一台实用性 较好，成本较低的任意波形发生器。该发生器输出信号的波形、频率、幅 度均可由使用者自行设置，其主要技术指标如下： 1 最高采样率； 8 0 m s a s 2 垂直分辨率( 幅度分辨率) ； 1 2 位 3 输出波形： 标准波形；正弦波、方波、三角波、锯齿波 任意波形储存深度；8 m 个点 4 输出频率范围： 1 ) 正弦波：0 1 u h z - - 5 m h z 2 ) 方波：0 1 u h z 5 m h z 3 ) 三角波：0 1 u h z 一一5 m h z 4 ) 锯齿波：0 1 u h z _ 一5 m h z 5 ) 任意波：0 1 u h z 5 m h z 5 频率分辨率：0 0 2 u h z 6 输出阻抗：7 5d 7 最大波形幅度：1 0 v 西华大学硕士学位论文 本文对基于p c i 总线的任意波形发生器进行了研究和讨论，其目标是研 制一台新型的结构简便、易于操作、波形存储容量大、速度快、成本低廉的 任意波形发生器。该任意波形发生器除了能产生正弦波，方波，三角波等常 用的标准信号，还可根据用户的需要产生任意波形，其任意波形的存储深度 可以到达8 m 个点。本文的主要工作包含任意波形发生器的整体方案设计： p c i 接口单元电路、f p g a 单元电路、基于d d s 可控时钟单元电路、高精度 d a 转换单元电路以及程控滤波器单元电路的设计。用l a b v i e w 软件完成了 虚拟仪器操作面板的软件设计，最后实现系统功能。 论文的结构安排如下： 第一章：介绍了任意波形发生器的发展历史、国内外现状及技术指标。 第二章：介绍了d d s 频率合成器的基本原理与结构，阐述了基于d d s 任意波形发生器的原理，提出了两种设计方案。最后考虑了系统性能指 标以及系统设计难度，确定了采用基于p c i 总线的任意波形发生器设计方 案。 第三章：首先给出了基于p c i 总线的任意波形发生器的硬件系统结构， 然后详细的介绍了波形发生器各个功能单元的实现电路以及p c i 总线技 术。 第四章：首先给出了系统数字电路部分的设计框图，接着介绍了 a l t e r a 公司芯片设计流程以及系统的逻辑控制等相关模块电路设计。最 后详细的阐述了s d r a m 的结构与特点并通过使用f p g a 现实s d r a m 控制器 的方法。 第五章：介绍了虚拟仪器的概念，如何通过使用w i n d r i v e r 编写设备 驱动程序以及使用l a b v l e w 设计虚拟仪器面板。 第六章：介绍了系统的调试与测试情况。 最后对全文所做的工作进行总结，并指出下一步的研究方向。 6 西华大学硕士学位论文 2 任意波形发生器的设计原理与方案选择 现在的任意波形发生器一般都使用d d s 技术来实现。d d s 作为一种新 型的频率合成技术，它较之以前的频率合成技术相比，具有极短的频率切 换时间，极高的频率分辨率，频率变化时相位变化连续，易于对频率、相 位、幅度进行调制等突出优点。近几年超高速数字电路的发展以及对d d s 的深入研究，d d s 的最高频率以及噪声性能己达到相当高的水平。 2 1d d s 的工作原理 d d s 技术是以奈奎斯特采样定理为基础来实现的 】05 。它通过把一个 连续信号在相位为妒时，对该信号进行取样、量化、编码，形成一个波形 数据表，存于r o m 中。在波形合成时，通过改变相位累加器的频率控制字， 来改变相位增量，而不同的相位增量将导致一个周期内取样点数的不同， 从而改变频率。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 7 】 1 8 。 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 ( t ) ， 可以用一系列离散的取样值f ( t 1 ) ，f ( t l + t ) ，f ( t l + e t ) 、表示，只要这些取 样点的取样间隔时间小于f 2 ，那么该离散取样序列就包含了连续信号f ( 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，如图2 1 所示： 譬 口 l 一7 3 3 1 5 。 f i g 2 1s i ns a m p l ed i a g r a m 图2 1 正弦波采样原理图 西华大学硕士学位论文 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，即对模拟幅值进行量化，量化后的幅值采用相应的二进制数 据进行编码。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存储到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 疗周期内相位取样相对应的正弦函数 菜单，因它存储的是正弦波形幅值，所以又称作正弦波形存储器。在直接 数字合成器中，正弦波形存储的字节数决定了相位量化误差【1 6 】 2 0 l 。 在实际应用中，可以采取两种方式来产生需要的频率，一种是以固定 的基准时钟频率来读取r o m 里面的数据，d a 转换器同样以固定的时钟 频率耳，。来对不同的正弦波进行合成。随着输出频率的增加，相位间隔增 大，取样数目相应的减少，使得相位量化误差加大，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。= e 。2 ，但在实际工 作中：枞= 4 0 + r c 。第二种方法是通过改变基准时钟的频率来改变 读取r o m 内部全部数据的速度，d a 转换器的时钟和基准时钟保持一致。 随着输出频率的增加，基准时钟也相应的按照一定比例增加，这样当r o m 中数据长度一定时，其产生的波形频率也就相应的改变。由于外部时钟和 d a 转换速度的限制，因而其输出频率也是有限的。 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 2 。 西华大学硕士学位论文 i n d a t f i g 2 2d d s s t r u c t u r ed i a g r a m 图2 2d 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，其输出信号为 d d s 提供系统时钟。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 的新相位数据回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d 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间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 进行寻址，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。 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， 对于一种确定的波形，其相位和幅度的关系也是确定的。d d s 就是利用相 西华大学硕士学位论文 位和幅度的确定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 过采样频率的一半。采样时钟一定，信号频率不同，采样点数不变。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 对应的采样问隔，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，再经过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。 根据d d s 原理及结构，我们可知将存储的波形数据按照一定的速率从存 储器里读出，并经过d a 转换以后可以恢复出采样前的波形。 2 2 基于d d s 任意波形发生器的工作原理 任意波形发生器产生的波形总体上可以分成两类【1 7 i ：正弦波和任意波 ( 非正弦波) 。对正弦波可以逐个读出波形的每一个数据也可以间断地读出 波形，这时波形的失真就会加大，但都可以通过滤波来改善失真。对任意 ( 非正弦波) 由于波形变化不规则，其中有丰富的谐波，因而这时不能简单 的用滤波的方法来改善波形失真( 因滤波有可能把信号的有用部分给削减 了) 。所以当要合成产生任意波形时，应采取逐点读出波形的每一个数据， 要改变输出频率e ，可通过改变参考时钟频率e * 或通过改变波形存储 器中存储的波形周期的数目来实现，其结构如图2 3 所示： f i g 2 3a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o rd i a g r a m 图2 3 任意波形发生器原理框图 首先选择一块分辨率和输出频率以及其它性能参数满足要求的d d s 西华大学硕士学位论文 专用芯片，用它来产生可控的时钟只m ，采用可控时钟来为存储器和d a 转换器提供基准时钟。在p c 机上使用虚拟仪器技术设计用户的操作接口， 用户通过接口能轻易的设置各种波形( 包括正弦和其它波形) ，频率以及 幅度等其它参数。计算机将波形数据传输给动态存储器，其频率控制传输 给时钟模块。通过合适的时钟频率将存储器内部的数据读出以后，经过滤 波器以及相关放大电路便生成了用户需要的模拟波形。 通过这种方式，不仅能够快速的完成仪器的设计和制作，同时通过使 用专用的d d s 芯片保证了频率的分辨率。 2 3 任意波形发生器方案选择 现在的任意波形发生器一般都使用d d s 技术来实现。d d s 技术是一种 新型的频率合成技术，它较之以前的频率合成技术，具有极短的频率切换 时间，极高的频率分辨率，频率变化时相位变化连续，易于对频率相位、 幅度进行调制等突出优点。在设计之初考虑了两种设计方案u “。 第一方案是采用可编程芯片和外挂r a m 作数据查找表来实现d d s 。在 这种结构中，外挂的数据查找表的速度往往成为系统速度的主要限制因 素。该方案主要是通过u s b 总线实现p c 机和下位机的通信，而下位机则 以单片机为处理器，使用f p g a 设计自己的d d s 电路。该系统整体是以低 功耗、高处理速度为主要目标来完成系统设计的，其系统结构框图如2 4 所示： f i g 2 4f i r s ts c h e m e 图2 4 方案一 该方案的主要优点： “ - 输出 驱动 西华大学硕士学位论文 1 波形产生电路结构简单，通过一片f p g a 芯片、r a m 芯片和d a 转换 芯片即可实现。 2 以灵活地设计多种数字调制方式，如通过双d d s 结构可以实现任意 波形调制任意波形。 缺点：可编程芯片硬件程序设计工作量大，波形存储容量小、不能产 生长周期的波形。开发时间较长，输出杂散比较大，产生任意波形困难。 方案二是采用专用d d s 芯片和外扩大容量动态存储器的结构。传统的 d d s 技术缺陷在于参考时钟频率和波形长度固定不可调。为了解决上述缺 点，可在参考时钟源的选取上，采用了频率分辨率较高的专用d d s 芯片。 其次，通过放弃累加器式的传统d d s 结构，取而代之的是计数器结构( 每 来一个时钟脉冲，地址计数器自动加一，计数器的输出值就是波形存储器 的地址) ，这样的好处是省去了回馈累加环节，可以增强了系统的反应速 度，而且在保证波形输出质量的前提下，可以通过设置计数器的起始值和 终止值来任意调整波形的长度和在波形存储器中的存储位置。 由于电路取代了计算机的控制，任意波形发生器的信号输出稳定度 高。如需更新输出信号，不必改动任何线路和元器件，只需改写存储器中 的波形数据即可。其系统结构如图2 5 所示： ， 广 划 d a 程控 输出 f p g a ： - - j 、 _ - - - _ ，- 叫 爿司 转换器 滤波器 驱动 f i g 2 5s e c o n ds c h e m e 图2 5 方案二 该主要优点： 1 采用专用d d s 芯片，其频率分辨率较高，降低了采用可编程芯片 设计d d s 电路的难度，同时提高了d d s 的分辨率和误差。 2 通过使用大容量的动态存储器可实现长周期、大容量的波形。 2 西华大学硕士学位论文 3 通过使用p c i 总线作为数据传输，能快速生成波形。 经过论证：虽然方案一系统结构简单，电路实现相对比较容易，但是 波形容量小，产生任意波形困难。方案二系统结构相对复杂，为此通过使 用专用p c i 接口芯片来解决p c i 总线通信问题，由于动态存储器控制复杂， 通过使用f p g a 设计专用s d r a m 控制器以及协调电路相关时序。本方案可 以实现长周期的任意波形【2 。】1 2 1 1 。 综合考虑任意波形发生器的指标要求和设计实现时的难易程度，本次 设计采用第二种方案。 2 4 本章小结 本章首先描述了d d s 合成器的工作原理和结构以及各主要组成部分的 功能，接着分析了任意波形发生器的工作原理，根据波形发生器的基本原 理和系统的各项技术指针提出了两种设计方案，分析了它们各自的优缺 点，最后综合多方面因素考虑选择了采用专用d d s 芯片和动态存储器的 方案来实现任意波形发生器。 西华大学硕士学位论文 3 任意波形发生器系统硬件设计 前面我们介绍了任意波形发生器的原理和结构。根据前文的分析，基 于使用和性能的综合考虑，在设计任意波形发生器的结构时采用d d s 的技 术，通过使用专用d d s 芯片和外扩大容量的动态存储器来实现波形的生 成。本章将详细介绍系统模拟部分的电路设计，其中p c i 总线接口、基于 d d s 的可控时钟、d a 转化和程控滤波器等电路设计是本章的重点和难点。 3 1 系统硬件总体设计 硬件电路的设计是任意波形发生器研制的基础，其总体设计框图如图 3 1 所示【2 2 】。主要包括以下几个单元：p c i 接口单元，基于d d s 可控时钟 单元，f p g a 单元，高精度d a 转换单元、程控低通滤波单元，输出驱动 单元等电路组成。 f i g 3 - 1s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m s 图3 1 系统结构框图 其中p c i 接口单元电路的功能主要是将计算机发出的各种信息( 复 位、波形数据、频率等) 准确地传送给板卡，在计算机和板卡之间搭建起 一条可以进行可靠通信的桥梁，为双方传送相应的状态信息和控制信号。 波形存储器采用的是动态存储器，它为任意波形发生器提供快速的波形数 据存储和读取。基于d d s 可控时钟单元电路是由d d s 专用芯片组成，它 西华大学硕士学位论文 为系统产生准确的波形数据读取和d a 转换的时钟。程控滤波器将d a 输 出的阶梯波形平滑并滤除高次谐波，提高输出波形的纯度。在波形输出时， 为了实现较强的驱动能力，专门设计了输出驱动单元电路。 在f p g a 单元中主要实现了如下几个功能： 1 对基于d d s 可控时钟单元进行控制，从而控制输出信号的频率。 2 设计s d r a m 的控制器，控制s d r a m 的一些必要的操作，方便 外部读取s d r a m 内部数据。 3 实现其它相关的时序逻辑控制和i o 口控制。 基本工作过程可阐述如下：首先，由用户在操作面板上设置波形及其它 各项参数，然后通过p c i 总线将这些信息传输给p c i 板卡，由f p g a 控制 将用户生成的波形数据存储到外扩s d r a m 里面，频率关键字输出给可控 时钟单元，从而保证产生输出波形具有精确输出频率。最后根据可控时钟 单元输出的时钟，逐点读出s d r a m 中波形数据，经过d a 转换及低通 滤波器电路后得到所需的波形。以产生一个正弦信号为例，首先用户在操 作界面产生一个正弦波，设置波形的频率、幅度和选择合适的程控滤波器， 然后将波形各项参数通过p c i 总线输出给f p g a ，在f p g a 逻辑译码后将 信息传输给板卡上的各个单元电路。它将正弦波形数据放入到s d r a m 里 面存储，设置可控时钟单元的频率关键字，选择合适的程控滤波器，启动 高速d a 。根据可控时钟单元电路输出的时钟控制s d r a m 内部数据的读 取和高速d a 的数据转换。d a 输出的信号经过滤波器电路滤除高次谐波 分量后得到一个频谱较纯的正弦波信号。当需要产生任意波形的时候，用 户可像产生正弦波信号一样来产生任意波形。 在任意波形发生器中，信号的合成主要在数字部分完成，而信号的处 理则主要是在模拟部分进行。另外在设计中还采用了先进的可编程器件， 实现了对复杂时序信号的逻辑控制和对外部的开关量控制。采用可编程器 件不仅可提高系统集成度，缩短产品开发周期，还增加了系统的可靠性。 3 2p c i 接口单元电路设计 西华大学硕士学位论文 3 2 1p c i 概述 p c i ( p e r i p h e r a lc o m p o n e n ti n t e r c o n n e c t ) 意为“外围设备互连” 2 3 1 ，是 一种比较新的局部总线技术。i n t e l 公司于1 9 9 1 年提出了p c i 总线的概念， 随后与i b m ，c o m p a q 等1 0 0 多家公司于1 9 9 3 年提出了p c i 总线标准，目 前p c i 规范已经修订到2 2 版本。 p c i 总线是一种高性能局部总线，可同时支持多组外围设备，不受制 于处理器，它为中央处理器及高速外围设备提供内部连接机构，数据总线 3 2 位或6 4 位，最大数据传输率为1 3 2 m b s 或2 6 4 m b s 。p c i 总线具有如 下一些特点2 4 ： 1 高性能 p c i 总线是一套整体的系统解决方案，比其它一些只为加速图像或视 频操作的局部总线优越。其时钟频率为3 3 m h z 或6 6 m h z ，采用3 2 位或6 4 位数据线，支持多组外围部件。最大数据传送率可达1 3 2 m b s ，在6 6 m h z 时钟频率下，速率翻倍。 2 线性突发传输 p c i 支持一种称为线性突发的数据传输模式，可确保总线不断满载数 据。外围设备可以从内存的某个地址顺序的接收数据，每次只需将地址自 动加1 ，从而有效地利用总线的带宽去传送数据，以减少无谓的地址操作。 3 极小的存取延迟 存取延迟小，能够大幅度减少外围设备取得总线控制权所需要的时间。 4 采用总线控制和同步操作 总线主控的目的是让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总 线，以加速执行高吞吐量、高优先级的任务。p c i 独特的同步操作功能保 证微处理器与总线主控同时操作，而不必等待后者的完成，从而改善了总 线性能。 5 不受处理器限制 p c i 独立于处理器的结构，形成一种独特的中间缓冲器设计方式，将 c p u 子系统与外围设备分开。这样我们可以随意增添外围设备计算机系统， 而不必担心在不同的时钟频率下会导致c p u 性能的下降。 西华大学硕士学位论文 6 兼容性强 由于p c i 的设计是要辅助现有的扩展总线标准，因此它与i s a ，e i s a 及m c a 总线完全兼容。p c i 总线可提供“共享插槽”，以便插接p c i ，i s a 及m c a 金手指。此外，p c i 的驱动软件可以在不同的平台上运行。 7 预留了发展空间 p c i 总线支持6 4 位地址数据多任务，可将系统的数据传输速率提高 到2 6 4 m b s 。允许p c i 总线扩展卡和组件自动配置。 8 数据完整 p c i 提供的数据和地址奇偶校验功能，保证了数据的完整性和准确性。 9 软件透明 在与p c i 设备或面向扩展总线的同类设备通信时，设备驱动程序使用 相同的命令集和状态定义。p c i 局部总线所具各的以上特点，既迎合了当 今的技术要求，又能满足未来的需要，是公认的最具有高瞻远瞩的局部总 线标准。p c i 的高性能、高效率及与现有标准的兼容性和充裕的发展潜力， 是其它总线不可及的。 3 2 2p c i 配置空间 当系统上电自检时，b i o s 里的配置软件必须检测p c i 总线，确定有哪 些计算机设备在p c i 总线上，以及它们的配置要求，进行系统配置。p c i 系统支持内存空间、i o 空间和配置空间。所有p c i 设备必须有一个具有 独立配置地址空间来实现p c i 协议规定的配置寄存器，从而能够实现参数 自动配置，使所有与p c i 兼容的设备实现真正的即插即用。 p c i 总线标准规定的配置空间总长度为2 5 6 个字节，配置信息按一定 的顺序和大小依次存放。前6 4 个字节配置空间称为头标区，p c i 总线设 备都有该配置空间。头标区的功能主要是用于识别设备，定义主机访问 p c i 板卡的方式( 是i o 访问还是m e m 访问、中断号等) 。其余的1 9 2 个字 节空间称为本地配置空间，因卡而异，主要定义卡上局部总线的特性、本 地空间基地址及范围等。因p c i 规范的通用性，所以每一块p c i 总线扩展 板卡都只是实现配置空间的一个子集。表3 1 简要说明了配置空间的预定 西华大学硕士学位论文 义头域。 表3 1p c i 配置空间预定义头标区 t a b 3 1p c ic o n f i g u r a t i o ns p a c e 设备识别供应商代码 状态命令 。分类代玛 修改版本 内含自测试头标类型i 延时计数 c a c h e 大小 萋址寄存器 保留 保留 扩展r o m 基址寄存器 保留 保留 m a x _ l a tlm i n _ g n t 中断引脚 中断线 3 2 3p c i 9 03 0 接口电路设计