基于DDWS的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)說明

1、基于DDWS的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)基于DDWS的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究需求的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器在一些特定的場(chǎng)合已經(jīng)不能滿足要求,因?yàn)樵谠S多應(yīng)用及研究領(lǐng)域,不但需要一些規(guī)則的信號(hào),同時(shí)還需要一些不規(guī)則信號(hào)用于系統(tǒng)特性的研究,如某些電子設(shè)備的性能指標(biāo)測(cè)試、系統(tǒng)中各種瞬變波形和電子設(shè)備中出現(xiàn)的各種干擾的模擬研究,就需要能提供一些非常規(guī)測(cè)試信號(hào)甚至是任意信號(hào)的信號(hào)源,即能產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)所需波形的任意波形發(fā)生器。任意波形發(fā)生器在電子測(cè)量、雷達(dá)、通信、遙測(cè)遙感以及電子等領(lǐng)域有著不可或缺的優(yōu)勢(shì),它可以通過數(shù)字方式精確地控制和發(fā)生模擬有限帶寬信號(hào),通過相位累加功能使相位與波形采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生關(guān)

2、聯(lián),并可通過相位的方式以一定的頻率查找輸出波形數(shù)據(jù),經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換獲得用戶所需要的待合成模擬信號(hào),而對(duì)相位的控制和運(yùn)算可以通過數(shù)字的方法較方便的實(shí)現(xiàn)。直接數(shù)字合成DDS-DigitalDirectSynthesis芯片是研究開發(fā)任意波形發(fā)生器的核心器件。運(yùn)用DDS技術(shù)生產(chǎn)的任意波形發(fā)生器不僅能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等固定波形,還可以產(chǎn)生任意編輯的波形。1原理介紹1.1DDS基本結(jié)構(gòu)奈奎斯特定理告訴我們,對(duì)一個(gè)有限帶寬時(shí)間連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí),如果采樣頻率大于該模擬信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí),可通過采樣后的數(shù)字信號(hào)還原出原始模擬信號(hào)。而DDS技術(shù)解決的是將已數(shù)字化的模擬信號(hào)通過一種數(shù)字合成方法模

3、擬化的問題,即它解決的是將基于奈奎斯特定理數(shù)字化了的模擬信號(hào)以數(shù)字的方式合成后恢復(fù)原始模擬信號(hào)的問題。典型的DDS系統(tǒng)由相位累加器、波形ROM、數(shù)字/模擬信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換器以及低通濾波器LPF組成，如圖1所示。圖1DDS基本結(jié)構(gòu)圖1中的相位累加器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2相位累加器結(jié)構(gòu)示意圖相位累加器由一個(gè)N位加法器和N位寄存器構(gòu)成，通過把一個(gè)時(shí)鐘的累加結(jié)果反饋回加法器的輸入端實(shí)現(xiàn)累加功能。從而使輸出結(jié)果每一個(gè)時(shí)鐘周期遞增Ko這里的N是相位累加器的字長(zhǎng)，這里的K稱頻率控制字。波形ROM示意圖如圖3所示。當(dāng)ROM地址線上的地址相位改變時(shí)，數(shù)據(jù)線上輸出相應(yīng)的量化值幅度量化序列o圖3波形ROM示意圖D/A轉(zhuǎn)

4、換器將波形ROM輸出的幅度量化序列轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電平輸出，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。但輸出波形是一個(gè)階梯波形，必須經(jīng)過抗鏡像濾波，濾除輸出波形中的鏡像才能得到一個(gè)平滑的波形。抗鏡像濾波器一般是一個(gè)低通濾波器，它要求在輸出信號(hào)的帶寬有較平坦的幅頻特性，在輸出鏡像頻率處有足夠的抑止。1.2DDS性能參數(shù)a）相對(duì)帶寬頻率控制字K唯一地確定一個(gè)單頻模擬余弦信號(hào)stcos2f0t的頻率foKf02Nfc1當(dāng)頻率控制字K=1時(shí)，直接數(shù)字合成器輸出的信號(hào)頻率是最低輸出頻率，fminfj2N,當(dāng)相位累加器的字長(zhǎng)很大時(shí)，最低輸出頻率可達(dá)出Z。直接數(shù)字合成器輸出最高頻率受到時(shí)鐘頻率和抽樣定理的限制。也就是說f0ma

5、x1/2fc。在實(shí)際的應(yīng)用中考慮到輸出濾波器的非理想特性，一般認(rèn)為直接數(shù)字合成器最高輸出頻率為0.4fc。直接數(shù)字合成器輸出頻率取決于相位累加器字長(zhǎng)N,頻率控制字K以及時(shí)鐘頻率fc。輸出頻率圍是指頻率合成器的最小輸出頻率與最大輸出頻率之差f0maxfmin表示，fmaxfmin越大輸出頻率圍越大，也可用相對(duì)帶寬公式2表示。f0minf0maxf0minb）頻率分辨率頻率合成器的輸出頻率值是不連續(xù)的，直接數(shù)字合成器的分辨率就是直接數(shù)字頻率合成器的最小頻率步進(jìn)，也就是它的最小輸出頻率或輸出頻率的最小問隔。即f0min_fc_ 2N c）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間直接數(shù)字合成器的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可以近似認(rèn)為是實(shí)時(shí)的。

6、這是因?yàn)樗南辔恍蛄性跁r(shí)間上是離散的，在頻率控制字改變以后，要經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期以后才能按照新的相位增量累加，所以也就是說，它的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間就是頻率控制字的傳輸時(shí)問，即一個(gè)時(shí)鐘周期。若時(shí)鐘周期為100MHZ,則頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間為100nso時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間就越短，但再也不能小于數(shù)字門電路的延遲時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間或可用頻率切換時(shí)間概念描述，即指的是頻率合成器輸出頻率由一個(gè)頻率點(diǎn)切換到另一個(gè)頻率點(diǎn)并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。該指標(biāo)與頻率合成所采用的技術(shù)有密切關(guān)d）頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度指的是在一定時(shí)間問隔輸出頻率值與標(biāo)準(zhǔn)頻率值間的偏差，分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，短期頻率穩(wěn)定度和瞬態(tài)頻率穩(wěn)定度三種。e）頻率變化輸出

7、信號(hào)相位連接由直接數(shù)字合成器的工作原理得知：改變直接數(shù)字合成器的輸出頻率，實(shí)際上是改變每次的相位增量，即改變相位函數(shù)的增長(zhǎng)速率。當(dāng)頻率控制字由K1變?yōu)镵2之后，它是在已有的積累相位Nk1之上，再每次積累K2,相位函數(shù)曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其斜率發(fā)生了突變，因而保持了輸出信號(hào)相位的連續(xù)。直接數(shù)字合成器輸出信號(hào)的相位是不連續(xù)的，而間接頻率合成器雖然輸出信號(hào)相位是連續(xù)的，但頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。在有些場(chǎng)合，對(duì)信號(hào)的相位連續(xù)有嚴(yán)格要求，這是因?yàn)樾盘?hào)的相位不連續(xù)?？赡軐?dǎo)致頻譜的擴(kuò)散，不利于頻譜資源的有效利用。f）任意波形的輸出由直接數(shù)字合成器的工作原理得知，輸出信號(hào)的波形取決于在RAM中存放的函

8、數(shù)表格。如果在RAM中存放正弦函數(shù)或余弦函數(shù)，即可輸出正弦波形或余弦波形。若在RAM中存放三角波、鋸齒波和方波等函數(shù)，則可以輸出所需的波形。根據(jù)DDS的原理及其參數(shù)可知，其頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)2N個(gè)，相比較而言，其分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的頻率合成方法的分辨率。此外,DDS不需要通過相位反饋來實(shí)現(xiàn)頻率合成，所以頻率的建立以及切換相對(duì)來說很快，切換速度可用s來表示，在DDS中各個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立。因?yàn)镈DS中需要的信號(hào)頻率、相位、幅度都是由數(shù)字信號(hào)部分控制，如調(diào)制部分可以由K控制，如果在進(jìn)行chirp條只是,只用在K前再加上累加器即可；調(diào)相時(shí)在PC輸出端直接加上調(diào)制信號(hào)；調(diào)幅時(shí)直接在ROM表輸出

9、端對(duì)幅度進(jìn)行控制，因此可以預(yù)置部PC的初始值來精確控制輸出信號(hào)，因此,DDS可實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制。2方案設(shè)計(jì)從以上分析可知，DDS具有產(chǎn)生任意波形、輸出相位噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，適用于實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器。DDS可分為直接數(shù)字頻率合成DDFS和直接數(shù)字波形合成DDWS。DDFS與DDWS具有各自特點(diǎn)，在DDFS技術(shù)中，采樣頻率是固定的,當(dāng)產(chǎn)生信號(hào)的函數(shù)波形相同而頻率不同時(shí)，僅需改變頻率控制字，而不需要將波形查找表中的數(shù)據(jù)作任何變動(dòng)。DDFS在產(chǎn)生常規(guī)窄帶信號(hào)時(shí)質(zhì)量較好，且頻率切換速度快。DDFS通過取相位累加器的高M(jìn)位作為正弦查找表地址來解決存儲(chǔ)器容量有限的問題$但由此產(chǎn)生了相位截?cái)?，在輸出信?hào)中引入雜散

10、。同時(shí)，當(dāng)波形突變時(shí)易失真。DDWS以采樣頻率逐點(diǎn)輸出信號(hào)波形數(shù)據(jù)，只需提前將波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入存儲(chǔ)器中即?？稍诋a(chǎn)生信號(hào)時(shí),DDWS需提前計(jì)算信號(hào)波形點(diǎn)數(shù)與采樣時(shí)鐘頻率的關(guān)系，一旦將數(shù)據(jù)導(dǎo)入存儲(chǔ)器，信號(hào)的頻率就將固定下來。在產(chǎn)生常規(guī)信號(hào)時(shí),DDWS較DDFS復(fù)雜,且不能隨意改變彳S號(hào)頻率。但DDWS不存在相位截?cái)鄦栴},在用作產(chǎn)生不要求頻率易變的非常規(guī)信號(hào)如Chirp信號(hào)時(shí)，能更精確地還原波形。同時(shí)，采用DDWS技術(shù)可以與預(yù)失真和相位調(diào)制結(jié)合，二DDFS技術(shù)卻不具備這種潛力。用DDWS產(chǎn)生Chirp信號(hào)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高的優(yōu)點(diǎn)，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的方案。因此,本方案將采用DDWS實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器，并

11、用上位機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)，通過USB或串口下發(fā)。其設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。圖4任意波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖圖中采用FPGA設(shè)計(jì)DDWS電路,這種方法比采用專用DDS芯片更為靈活因?yàn)橹灰淖僐OM的數(shù)據(jù)，就可以產(chǎn)生任意波形，因而具有相當(dāng)大的靈活性。數(shù)據(jù)控制接口中的相位累加器是DDWS技術(shù)的核心，類似一個(gè)計(jì)數(shù)器，有時(shí)鐘信號(hào)上升沿觸發(fā)。頻率控制字K控制相位累加器的步長(zhǎng)，每來一個(gè)上升沿，相位累加器前一次的基數(shù)與頻率控制字K相加,得到新相位。新相位作為ROM查詢表的地址圖中的地址生成，設(shè)基地址為0,則依次按照K,2K,3K順序讀取相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)共2N個(gè)頻點(diǎn)，如圖5所示。當(dāng)相位累加器累加滿量程時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成這一個(gè)周

12、期，產(chǎn)生了一個(gè)周期的信號(hào)。相應(yīng)的查找表經(jīng)過一個(gè)循環(huán)，回到初始位置，開始產(chǎn)生下一個(gè)周期的信號(hào)。信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出階梯波形，D/A轉(zhuǎn)化器后接一低通濾波器,用于濾除階梯信號(hào)中的諧波分量。感興趣的波形在示波器中顯示。以正弦波為例,DDWS實(shí)現(xiàn)波形產(chǎn)生的流程如圖6所示。圖5ROM尋址圖6DDWS生成波形過程3仿真結(jié)果根據(jù)前文分析的DDWS實(shí)驗(yàn)原理和參量計(jì)算等知識(shí),用Matlab仿真平臺(tái)編程驗(yàn)證。以線性調(diào)頻信號(hào)和單頻為例,作如下仿真。產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào),該信號(hào)用于做查找表,基準(zhǔn)信號(hào)點(diǎn)數(shù)為1024點(diǎn),存儲(chǔ)在高速ROM中。圖7產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，設(shè)置N=10，初相0=0，起始頻率f=200Hz,帶寬B=100Hz

13、,采樣率Fs=1000Hz。圖8產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)，設(shè)置N=10，初相0=0，起始頻率f=10Hz,帶寬B=50Hz,采樣率Fs=1000Hz。圖9產(chǎn)生單頻信號(hào)，設(shè)置N=8,初相0=0,f=30Hz,采樣率Fs=1000Hz圖10產(chǎn)生單頻信號(hào)，設(shè)置N=10，初相0=0,f=30Hz,采樣率Fs=1000Hz圖11產(chǎn)生單頻信號(hào)，設(shè)置N=10，初相0=0,f=300Hz,采樣率Fs=1000Hz。圖12圖7為產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào),從圖8、圖9、圖10和圖11相比可以看出可以改變頻率控制字K來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的頻率的控制。從圖8和圖10可以看出,為了產(chǎn)生30Hz的信號(hào),量化位數(shù)N越大,則產(chǎn)生的頻率精度越高。理想情況下DDWS產(chǎn)生出的波形頻率可以無限逼近信號(hào)真實(shí)頻率,但是隨之付出的代價(jià)是更多的高速存儲(chǔ)單元。圖11和圖12是用DDWS產(chǎn)生出的線性調(diào)頻信號(hào)，起始頻率為200Hz，帶寬100Hz從圖8至圖12可以看出，DDWS可以實(shí)現(xiàn)任意的波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)。4分析總結(jié)理論分析和仿真證明,在一定條件下DDWS可實(shí)現(xiàn)任意波形,且其能夠產(chǎn)生復(fù)雜調(diào)制波形,不存在相位截?cái)鄦栴},在用作產(chǎn)生不要求頻率易變的非常規(guī)信號(hào)時(shí)能精確地還原波形。DDWS采用波形存儲(chǔ)直讀法實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的產(chǎn)生卻可以方便地