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1 引言 隨著(zhù)微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，DDS技術(shù)得到了廣泛的應用，市場(chǎng)上有很多高性能多功能的DDS專(zhuān)用器件，但其工作方式和控制方式固定，一般用戶(hù)很難按自己的要求獲得相應的波形。同時(shí)任意波的輸入方式目前都只限于時(shí)域，無(wú)法實(shí)現電子、通信等領(lǐng)域的科研與教學(xué)中所需頻域參數定義的波形。本文介紹一種基于DDS的可視化信號發(fā)生器，它高精度地生成雙通道±8 V、0．01 Hz～10 MHz正弦波等常規波形。還可產(chǎn)生數碼流、調制信號、隨機噪聲、掃頻信號及時(shí)域或頻域自定義波等信號，信號參數均步進(jìn)在線(xiàn)可調，由USB1．1與Delphi7．0完成與PC連機時(shí)的接口及圖形操作界面設計，TFT實(shí)現單機工作時(shí)的圖形操作界面，實(shí)驗表明該設計是行之有效的。 2 系統設計 系統結構框圖如圖1所示，其中用Delphi來(lái)開(kāi)發(fā)圖形上位機軟件；PDIUSBD12為USB控制器，MCU實(shí)現系統智能控制和數值運算，FPGA為系統數字載體，內建DDS、MCU接口、時(shí)鐘控制、Flash讀寫(xiě)、鍵盤(pán)掃描和TFT控制等模塊。設計雙路D／A輸出通道，通過(guò)調節DAC參考電壓提高小信號幅度分辨率，系統既可由上位機軟件控制實(shí)現信號源功能，也可通過(guò)觸摸按鍵和TFT圖形液晶顯示器智能實(shí)現便攜式任意源功能。 [/table][table] 設計中取系統時(shí)標信號頻率為fr=100 MHz，輸出信號每一周期由N個(gè)取樣點(diǎn)構成，取樣周期為T(mén)r=(1／fr)，則輸出信號的頻率為fo=fr/N，設合成信號初相為ψ0，相位累加器位數為x=32，存儲器位數為y=10，則 其中，f0min為合成器最低輸出頻率，△f為頻率分辨率，設輸出頻率控制字為k，則： nψ=ψ02x／2πk為初相量化值，最小相移、占空比的最小值和分辨率分別為： 當x-y＞4時(shí)，正弦輸出相位截斷噪聲的信噪比SNRP=6．02y-3．992=68．24dB[1，3]，可見(jiàn)相位截斷后仍有較高的信躁比，幅度噪聲的信噪比SNRE=6．02y+20lgr，其中r為輸出波形與滿(mǎn)刻度的峰-峰值之比，取r=1，則SNRE=72．2 dB[3，4]。 3 FPGA與分段時(shí)標設計 FPGA設計原理如圖2所示。DDSA、DDSB均是雙通道DDS產(chǎn)生模塊，內部由32位累加器和波形存儲器RAM組成，累加器在累加時(shí)鐘的控制下對頻率控制字k進(jìn)行累加，其結果作為波形存儲器RAM的地址來(lái)讀出RAM中波形數值。波形存儲器RAM為雙口RAM，既可在讀信號、讀地址的配合下進(jìn)行RAM的讀操作。也可在寫(xiě)信號、寫(xiě)地址和數據輸入信號的配合下進(jìn)行寫(xiě)操作，更換波形數據見(jiàn)圖3。雙通道設計為互相調制提供了方便。波形存儲器RAM為雙口RAM，在進(jìn)行波形切換時(shí)，由MCU控制FPGA啟動(dòng)Flash讀寫(xiě)單元，以10 MHz的速度從外部的Flash中讀取4 096個(gè)波形數據到雙口RAM中。 接口模塊(interface)主要輸出8位DB、24位AB、256個(gè)片選信號、讀/寫(xiě)控制信號，尋址能力達16 MB。Reg_array是寄存器矩陣，實(shí)現MCU對FPGA及系統的控制．主要儲存時(shí)鐘分頻系數CLK_DIV[63．．0]，雙通道幅度控制字V[31．．0]、Flash的地址、數據和控制信號REGF[63．．0]等。Ping_lv是頻率控制模塊，完成調頻、掃頻、頻率控制功能，輸出DDS信號產(chǎn)生單元所需的頻率控制字KA[31．．0]和KB[31．．0]，由頻率字選擇模塊、調頻模塊、掃頻模塊組成。 任意波形產(chǎn)生時(shí)，先將從計算機采集到的波形數據量化編碼后通過(guò)USB下載到Flash存儲器，從Flash中讀取數據到雙口RAM中。這樣既能快速地產(chǎn)生任意波形．又能使任意波形在脫離計算機后還能繼續使用。系統Flash容量為2 MB，分為32頁(yè)，除了存儲常規的6種波形外，還能儲存26個(gè)任意波形。 DC可產(chǎn)生方波、數據流等其他波形，he．chen主要完成信號的合成功能，包括模擬調幅、隨機信號、ASK、FSK等。Clcok時(shí)鐘控制單元在CLK_DIV[63．．0]和REGC[63．．0]的控制下對外部40 MHz時(shí)鐘進(jìn)行倍頻和分頻，輸出系統所需時(shí)鐘。tft是TFT顯示控制單元，采用查找表結構進(jìn)行單色顯示。輸出直接接到TFT屏的三原色數據DR[5．．0]、DG[5．．0]、DB[5..0]，和時(shí)序控制信號VS、HS、TFTCLK、REN等，實(shí)現波形菜單與圖形界面顯示。Keysan是鍵盤(pán)掃描單元，自建鍵盤(pán)掃描時(shí)序，輸出行列矩陣式鍵盤(pán)行列掃描信號，能自動(dòng)進(jìn)行鍵值識別、鍵碼鎖存keyvalue[7．．0]，并產(chǎn)生中斷信號int0。Flash控制模塊采用NOR Flash方式，讀操作與普通RAM一樣，但寫(xiě)操作時(shí)要先擦除并輸入命令后才能讀寫(xiě)。為此設計給MCU提供與RAM一樣的操作接口，同時(shí)在系統進(jìn)行波形切換時(shí)．能自動(dòng)地從外部Flash波形存儲器中讀取4 096個(gè)波形數據到DDS單元中．進(jìn)行波形數據的改寫(xiě)。 根據DDS原理。在較低的頻率段，由式(2)可知頻率控制字k減小，在對其進(jìn)行量化時(shí)，勢必加大了量化誤差，故降低了信號的時(shí)域精度， 為此，在低頻段可由式(1)通過(guò)減小fr來(lái)降低f0min，提高k以提高信號的時(shí)域精度，可以采用分頻的方法，即在不同的頻率段采用不同的時(shí)標時(shí)鐘fr來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，分段時(shí)標見(jiàn)表1。 4 上位機界面、信號參數定義與接口 本設計采用USB1．1作為通信接口，針對由PDIUSBD12實(shí)現的USB接口，可以利用Philips公司提供的EasyD12庫來(lái)編寫(xiě)PC機應用程序。EasyD12庫包含3個(gè)文件，分別是EasyD12．lib、EasyD12．dll和EasyD12．h。庫文件提供了4個(gè)可以調用的函數，用于完成對PDIUSBD12端點(diǎn)1、端點(diǎn)2的讀寫(xiě)操作。這4個(gè)函數分別為： 采用上述4個(gè)函數可以簡(jiǎn)單地完成對PDIUS-BD12的讀寫(xiě)操作。由于本設計中通用USB數據傳輸模塊的主要作用是由控制界面向接口模塊發(fā)送各種命令及波形數據，PC機對發(fā)送的時(shí)機是十分清楚的(通常在按鍵或菜單選項的響應函數中出現)，所以命令及數據的可靠性及實(shí)時(shí)性能得到充分的保障。 主控制界面由波形設置、任意波形、模擬調制、數字調制、掃描信號、端口設置等部分組成，利用Delphi7．0提供的強大控件對信號幅度、頻率、占空比等參數實(shí)現實(shí)時(shí)控制，還有任意信號的手動(dòng)制作和特殊波形(如抽樣波形、正弦的諧波合成、可控數碼流等)的采樣。圖4為數碼流PC控制界面。 時(shí)域信號疊加產(chǎn)生是依據各種實(shí)際需要，對常規波形進(jìn)行疊加。軟件主要由波形構造、數據計算分析及控制組成。通過(guò)用戶(hù)輸入的公式及各常規波形的參數計算得出新的波形數據，然后根據數據進(jìn)行描圖。計算定義為時(shí)域波形數據的加、減、乘、除。 頻域還原時(shí)域信號產(chǎn)生是采用諧波輸入法。依據幅度譜和相位譜信息。利用反傅立葉變換實(shí)偶對稱(chēng)級數，還原為時(shí)域波形，經(jīng)4 096個(gè)點(diǎn)數據采集，10位量化編碼后得到所需波形數據。 5 研制結果與展望 研制的雙通道"便攜式DDS高精度信號發(fā)生器"樣機采用40 MHz外部晶振，TFT選用彩色PT035TNO1，FPGA選用Altera-Cyclone系列EP1C6 T114-8。DAC選用10位ADI-AD9763，運算放大器選用ADI-AD8014，MCU 選用Philips-P89LV51RD2，Flash選用AM19LV160D。主要性能如下： (1)主波形有正弦波、方波等，100μHz～10MHz，儲存波形為100 Hz～100 kHz。分辨率為100μHz。幅度分辨率10 bit，(≤10 MHz)10 mV～18Vp-p(高阻)，1 mV～10 Vp-p(50 Ω)。 (2)任意波形由計算機界面輸入，具有時(shí)域與頻域三種輸入方式。 (3)調制特性：內調制，調制信號頻率范圍為100μHz～1 MHz，調制深度范圍為1％～100％，數碼流、碼元速率可編程，調頻時(shí)最大頻偏為載波頻率的50％。 (4)掃描特性：頻率掃描掃描起終點(diǎn)及步進(jìn)100μHz≤f≤10 MHz，幅度掃描掃描起終點(diǎn)及步進(jìn)10mV≤V≤10 V，步進(jìn)時(shí)間均為1 ms～20 s，線(xiàn)性?huà)呙�。向上或向下或�?lái)回掃描，自動(dòng)控制方式。 (5)偽隨機噪聲：隨機碼元移位速率可調，可編程數碼流：碼元32位可編程輸入，波特率1 kb／s～1000 kb／s，電平10mV～10 V。 實(shí)驗表明：研制的樣機功能多、操作方便、TFT與PC屏幕顯示直觀(guān)、具有獨特的任意信號輸入方式、性?xún)r(jià)比高，儀器還可設計對外部輸入信號實(shí)時(shí)調制，直流分量應可控，由矢量分析儀產(chǎn)生的頻譜圖存儲后轉入信號發(fā)生器來(lái)重現時(shí)域波形的工作正在研究之中。 |
