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目前波形合成技術(shù)主要有兩種通用的方法，一種是使用專(zhuān)用的DDS 芯片，一種是基于CPLD/FPGA的解決方案。雖然專(zhuān)用DDS芯片的功能也比較多，但控制方式卻是固定的，控制不靈活，而利用FPGA 則可以根據需要利用Verilog/VHDL 語(yǔ)言來(lái)實(shí)現各種比較復雜的調頻、調相和調幅功能，具有良好的實(shí)用性。 1 DDS技術(shù)及其原理 任意波形發(fā)生器目前主要有兩種實(shí)現方法：一種是傳統的任意波形發(fā)生器，但是由于采用的是模擬和模數混合的方法，限制了其頻率穩定度,并且系統比較復雜；另一種是基于直接數字頻率合成（DDS）技術(shù)的任意波形發(fā)生器，采用這種技術(shù)的AWG具有很高的頻率分辨率和快速的輸出頻率轉換能力，并且輸出頻率范圍寬。 DDS技術(shù)是一種先進(jìn)的頻率合成技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是易于程控、相位連續、輸出頻率穩定度高、分辨率高等。DDS 技術(shù)的實(shí)現依賴(lài)于高速、高性能的數字器件，可編程邏輯器件以其速度高、規模大、可編程以及有強大EDA軟件支持等特性，十分適合實(shí)現DDS技術(shù)�；谝陨系脑�，該系統采用第2種實(shí)現方法。DDS原理框圖如圖1所示。 圖1 DDS原理框圖 2 系統總體設計 該系統實(shí)現的主要功能是：輸出頻率相同，幅值相同，具有可調相位差的兩路任意波形，同時(shí)可實(shí)現輸出波形過(guò)零切換（當波形參數發(fā)生改變時(shí)，系統總是在零相位時(shí)改變輸出波形，這樣可得到平滑的波形輸出），該系統還可以通過(guò)PC 端軟件產(chǎn)生數據，并通過(guò)USB接口下載到FPGA中從而生成任意波形。同時(shí)，波形的頻率和幅度均可調節，輸出頻率范圍為0.1Hz～1MHz，頻率分辨率為0.1Hz，輸出電壓范圍為0～10V。系統的整體設計如圖2所示。 圖2 系統原理框圖 3 PC端軟件軟件設計 該系統可以根據用戶(hù)的需要設定不同的波形，為了使用戶(hù)更容易的得到自己想要的信號波形，在這里設計了兩個(gè)可以產(chǎn)生任意波形的方法。一種方法是繪圖法，用戶(hù)可以自己畫(huà)出想得到的波形的圖形，但是用這種方法產(chǎn)生出來(lái)的信號精度不高，適用于對產(chǎn)生的信號要求不高的用戶(hù)，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便。另一種方法是公式法，根據用戶(hù)輸入的公式或者函數語(yǔ)句產(chǎn)生波形信號，這種方法比較科學(xué)，精度較高。由于MATLAB軟件具有強大的數據計算、仿真、繪圖等功能，所以該用戶(hù)界面是用MATLAB軟件編程。用戶(hù)的軟件界面如圖3所示。 圖3 用戶(hù)軟件界面 在繪圖法中，主要用到MATLAB中的兩個(gè)函數：ginput（鼠標輸入圖形）和spline（三次樣條多項式擬合）。結合這兩個(gè)函數，交互式創(chuàng )建二維曲線(xiàn)。首先，利用ginput函數在figure圖上選擇一系列點(diǎn)[x，y]，這樣就可得到一些分散的數據點(diǎn)，為了從這些分散的數據點(diǎn)中找到其內在的規律性，然后通過(guò)這些點(diǎn)進(jìn)行樣條平滑，就要運用到spline函數來(lái)產(chǎn)生一系列點(diǎn)來(lái)逼近這些已知點(diǎn)。結合ginput和spline函數設計程序，用戶(hù)就可以根據自己的需要在圖上任意畫(huà)出波形，描述的點(diǎn)越多，則輸出的波形越接近真實(shí)波形；如果描述的數據點(diǎn)少，則有可能改變波形形狀及趨勢。繪圖法中使用鼠標取點(diǎn)的方法主要是避免用鼠標直接畫(huà)波形時(shí)的不靈活性和不好控制性。 如果波形可以數學(xué)描述，就可以采用公式波這種方法。在GUI界面中，設置了公式波的公式輸入文本編輯框，只需要在文本編輯框中輸入公式，根據它已有的條件就可以產(chǎn)生信號波形。在本設計中，由于輸入的公式是用戶(hù)自定義的，用戶(hù)可以使用多種算法或者運用MATLAB自帶的函數庫。在MATLAB的界面設計中，文本編輯框里輸入文本后，MATLAB會(huì )把輸入的文本默認成字符串，當想對這些輸入在文本編輯框里的公式進(jìn)行計算時(shí)，MATLAB無(wú)法識別，在這里使用eval函數對字符串進(jìn)行處理。eval函數將符號表達式轉化為數值表達式，這樣就能使MATLAB執行該公式，公式法產(chǎn)生的波形更精確。 使用繪圖法編輯波形，只需點(diǎn)擊“任意波形”按鈕，然后按照提示在坐標軸內點(diǎn)擊鼠標右鍵取點(diǎn)畫(huà)出所要波形的大概形狀，再點(diǎn)擊鼠標左鍵就可以產(chǎn)生用戶(hù)想要的波形；當使用公式法編輯波形，只需按提示在編輯框中寫(xiě)入所要產(chǎn)生的波形公式，點(diǎn)擊“公式波”按鈕，系統就會(huì )立刻對輸入公式進(jìn)行計算，并向硬件傳送改變波形類(lèi)型的字符，然后再把數據發(fā)送到硬件上。 4 實(shí)驗結果 該系統所有實(shí)驗結果均由RIGOL 公司DS5022M 數字存儲示波器采樣所得。 圖4所示為采用公式法輸入的GUI 界面和產(chǎn)生的相應1kHz 任意波形，輸入公式為Sin（2*pi*x）＋sin（4*pi*x），其中變量x的范圍為0到1。 圖4 公式法輸入的GUI 界面和產(chǎn)生的任意波形 圖5所示為采用繪圖法輸入的GUI界面和產(chǎn)生的相應50kHz任意波形。 圖5 繪圖法輸入的GUI界面和產(chǎn)生的任意波形 從上面的實(shí)驗結果可以看到，該系統不僅可以產(chǎn)生方波、正弦波、三角波、鋸齒波等常見(jiàn)波形，還可以實(shí)現真正意義上的任意波形。系統頻率誤差小于1%，且具有很高的頻率調制精度，實(shí)驗結果符合各項設計指標。 5 總 結 該系統采用DDS 技術(shù)，通過(guò)基于NIOS Ⅱ的SOPC 系統實(shí)現了任意波形發(fā)生器。DDS技術(shù)在相對帶寬、頻率轉換時(shí)間、相位連續性、正交輸出、高分辨率及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過(guò)了傳統頻率合成技術(shù)所能達到的水平，為系統提供了優(yōu)于模擬信號源的性能；而基于NIOS Ⅱ的SOPC 系統可以根據用戶(hù)需要自由定制CPU 及其外設，其靈活性和通用性使其成為未來(lái)系統設計的一大趨勢。 該設計完成了任意波形發(fā)生器的軟硬件設計和調試，實(shí)驗結果表明，該波形發(fā)生器基本達到了設計要求。 |
