基于fpga的任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)碩士學(xué)位論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)器尋址波形存 儲(chǔ)器的 任意波形發(fā)生器 在一段時(shí)期內(nèi)曾得到廣泛的應(yīng)用，其取樣時(shí)鐘 頻率較高且 可調(diào)節(jié)， 但其 對(duì)硬件要求比較高，需要高性能的鎖相環(huán)和 截止頻率可調(diào)的低通濾波器 （或者 多個(gè)低通濾波器 ） ，且頻率分辨率低，頻率切換速度較慢，已經(jīng)逐步退出市場(chǎng)。 目前市場(chǎng)上的任意波形發(fā)生器主要采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Synthesuzer， DDS）技術(shù)，這種波形發(fā)生器不僅可以產(chǎn)生可變頻的載頻信號(hào)、各種調(diào)制信號(hào)，同時(shí)還能和計(jì)算機(jī)配合產(chǎn)生用戶自定義的有限帶寬的任意信號(hào)，可以為多種領(lǐng)域的測(cè)試提供寬帶寬、高分辨率的測(cè)試信號(hào)。 任意波 形發(fā)生器發(fā)展到今天，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式來(lái)劃分，主要包含三種： （ 1） 獨(dú)立儀器結(jié)構(gòu)形式 獨(dú)立儀器結(jié)構(gòu)形式是把任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)成單臺(tái)儀器的形式，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，可獨(dú)立工作。 （ 2） PC 總線式 PC（ Personal Computer） 總線式是將任意波形發(fā)生器板卡直接插在 PC 機(jī)的總線擴(kuò)展槽或通過(guò)外部接口連接到 PC 總線上，利用 PC 機(jī)來(lái)控制任意波形發(fā)生器的工作狀態(tài)，其優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用 PC 機(jī)的軟硬件資源，在波形數(shù)據(jù)處理、波形參數(shù)修改方面，計(jì)算機(jī)有明顯的優(yōu)勢(shì)。 （ 3） VXI 模塊式 VXI 模塊是一種新型的模塊化儀器 ，它必須插在 VXI 總線機(jī)箱上才能使用，VXI 總線機(jī)箱通過(guò) GPIB 或者 RS232C 等接口與計(jì)算機(jī)相連， VXI 模塊儀器對(duì)組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)特別有用，各個(gè)公司的 VXI 卡式儀器模塊可以自由組合使用。 從發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看， 國(guó)外 任意波形發(fā)生器 的研制及生 產(chǎn) 技術(shù)已經(jīng)較為成熟 。 以安捷倫（ Agilent）和泰克（ Tektronix） 為代表的國(guó)際電子測(cè)量?jī)x器公司 在此領(lǐng)域進(jìn)行了卓有成效的研究和開(kāi)發(fā)，其產(chǎn)品無(wú)論在技術(shù)上還是市場(chǎng)占有率方面在國(guó)際上都享有盛譽(yù) ，但其價(jià)格也是相當(dāng)昂貴 ，高端型號(hào)每臺(tái)價(jià)格都在幾萬(wàn)美金左右，低端的也要幾萬(wàn)人民幣 。 Tektronix 公司的獨(dú)立 結(jié)構(gòu) 任意波形 發(fā)生器 AFG3000 系列 功能完善，人機(jī)界面友好，操作方便，可以以多種方式連接到 PC 機(jī) 上，其 最高采樣率能達(dá)到 2GS/s，輸出信號(hào)最高頻率為 240MHz， 任意波頻率 50MHz， 并配備的強(qiáng)大的波形編輯軟件 ArbExpress，用戶可以 方面地 創(chuàng)建和編輯 自己的 波形 。Agilent 公司的 PXI 模塊 任意波形 發(fā)生器采樣率 已經(jīng)能達(dá)到 ，最高輸出頻率 500MHz。 我國(guó)研制任意波形發(fā)生器是從上世紀(jì) 90 年代開(kāi)始的 ，近年來(lái)有一批本土廠商奮起直追，并取得了可喜的成果。 例如 南京盛普科技電 子有限公司的基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 4 SPF120 型信號(hào)發(fā)生器的主波輸出頻率達(dá)到了 120MHz，任意波 最高 頻率 為100KHz； 北京普源精電 科技有限公司 （ RIGOL）生產(chǎn)的 DG1000/20xx/3000 系列任意波形發(fā)生器，在性能上已經(jīng)大略相當(dāng)于國(guó)外中低端產(chǎn)品。 課題 研究 目標(biāo) 從國(guó)內(nèi)已有的成熟的任意波形發(fā)生器產(chǎn)品來(lái)看，無(wú)論是從種類(lèi)、性能還是生產(chǎn)規(guī)模上均與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品存在較大差距。因此，加緊任意波形發(fā)生器相關(guān)技術(shù)的研究仍然非常必要，對(duì)發(fā)展我國(guó)電子行業(yè)也有著非常重要的影響，并且具有廣闊的發(fā)展前景，若能與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品保持在性價(jià)比上的 優(yōu)勢(shì)，將可以打破國(guó)外的技術(shù)和市場(chǎng)壟斷地位。 如何降低任意波形發(fā)生器的成本，并提高其性能指標(biāo)是本課題研究的重點(diǎn)。本課題結(jié)合 DDS 技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、 總線接口技術(shù)，并借助 FPGA 可編程邏輯實(shí)現(xiàn)一 款 低成本、便攜式、可擴(kuò)展的 虛擬 任意波形發(fā)生器。在學(xué)習(xí)、借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，研究、掌握 利用 DDS 技術(shù) 實(shí)現(xiàn)的 任意波形發(fā)生器的基本組成和關(guān)鍵技術(shù)，為研制高性能多通道任意波形發(fā)生器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為早日實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)任意波形發(fā)生器達(dá)到世界先進(jìn)水平而努力。 本課題研究的任意波形發(fā)生器主要有以下性能指標(biāo)： （ 1） 通道數(shù)： 2 個(gè)，一個(gè)作為輸出通道，一個(gè)作為外輸入調(diào)制通道； （ 2） 輸出波形：正弦波、占空比可調(diào)方波、三角波、鋸齒波、噪聲以及用戶自定義波形； （ 3） 調(diào)制性能：調(diào)幅 、調(diào)頻 、 幅移鍵控 、 頻移鍵控 、 相移鍵控 ； （ 4） 波形容量： 4K； （ 5） 幅值 分辨率： 10bits； （ 6） 頻率分辯率： ； （ 7） 頻率范圍：正弦波， ~50MHz，任意波 ~5MHz； （ 8） 負(fù)載能力： 50Ω177。10%； （ 9） 幅度范圍： 3V~+3V； （ 10） 偏置范圍 ： ~+； （ 11） 頻 率準(zhǔn)確度： ≤177。% 在功能上，該虛擬信號(hào)發(fā)生器可以作為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、噪聲信號(hào)發(fā)生器 使用，具有良好的人機(jī)界面，能夠產(chǎn)生各種常規(guī)波形，還能產(chǎn)生由用戶生成的任意波形。 第一章 緒論 5 主要研究工作及論文內(nèi)容安排 本文 主要研究基于 FPGA 的任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在分析研究 DDS基本原理的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了任意波形發(fā)生器的硬件平臺(tái)和軟件界面。 本文實(shí)現(xiàn)的任意波形發(fā)生器既具有虛擬儀器成本低、可擴(kuò)展、靈活性強(qiáng)、人機(jī)界面友好等特點(diǎn)，又具備傳統(tǒng)臺(tái)式任意波形發(fā)生器的優(yōu)良性能，能夠產(chǎn)生各種常規(guī)波形，如正弦波、方波、 三角波、鋸齒波等，也能產(chǎn)生用戶自定義的任意波形，另外它還可以產(chǎn)生噪聲信號(hào)和調(diào)幅、調(diào)頻及多種數(shù)字調(diào)制信號(hào)。 本論文共分 七 章，各章內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，簡(jiǎn)要介紹本文研究工作的發(fā)展 現(xiàn)狀 、目的和意義 以及課題研究的目標(biāo)； 第二章詳細(xì)分析了 DDS 的基本原理及其輸出信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)，介紹了 DDS頻譜特性改進(jìn)技術(shù)； 第三章 描述任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案和總體結(jié)構(gòu)，并對(duì)各個(gè)模塊硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)； 第四章介紹了基于 FPGA 的控制模塊、 DDS 波形發(fā)生模塊和調(diào)制模塊的具體設(shè)計(jì) 以及 DDS 雜散抑制技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)； 第五章介紹了波形 發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)，從固件代碼、驅(qū)動(dòng)程序及用戶程序三個(gè)方面進(jìn)行了說(shuō)明； 第六章對(duì)本文設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器的具體性能測(cè)試作了說(shuō)明 ； 第七章對(duì)本文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并指明了該課題進(jìn)一步的研究方向。 第二章 任意波形發(fā)生器的理論分析 7 第二章 任意波形發(fā)生器的理論分析 頻率合成技術(shù) 及性能指標(biāo) 所謂頻率合成技術(shù)是指以一個(gè)或者多個(gè) 高精確度和 高穩(wěn)定度 的 頻率參考 信號(hào)源為基準(zhǔn)， 在某一頻段內(nèi) ， 綜合產(chǎn)生多個(gè)工作頻率點(diǎn)的 技術(shù)。頻率合成技術(shù)是產(chǎn)生頻率源的一種現(xiàn)代化手段， 在通信、 雷達(dá)、 導(dǎo) 航、廣播電視、電子偵察、電子干擾與反干擾 及現(xiàn)代儀器儀表中有著廣泛的應(yīng)用 。依據(jù)頻率合成原理制成的頻率源稱為頻率合成器。 對(duì)頻率合成器的基本要求是既要合成所需頻率，又要保證信號(hào)的純凈。 綜合來(lái)看，衡量頻率合成器的主要性能指標(biāo) [4]為： （ 1） 輸出頻率范圍 輸出頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率 minof 和輸出最高頻率 maxof 之間的變化范圍 。 max minooff? 越大，頻率合成器的輸出頻率范圍越寬，有時(shí)候也用相對(duì)帶寬 f? 來(lái)衡量 其輸出頻率范圍： m a x m i n m a x m i nm a x m i n m a x m i n2 ( )1 0 0 % 1 0 0 %( ) / 2o o o oo o o of f f ff f f f f??? ? ? ? ??? 式 (21) （ 2） 頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度指在 在規(guī)定的時(shí)間 間隔內(nèi)，頻率合成器的實(shí)際輸出頻率與頻率標(biāo)定值偏差的數(shù)值，可分為長(zhǎng)期、短期和瞬時(shí)穩(wěn)定度。 （ 3） 頻率分辨率 頻率合成器的輸出頻譜通常是不連續(xù)的。 頻率分辨率指兩個(gè)輸出頻率之間的最小間隔 。 （ 4） 頻率 切換 時(shí)間 頻率 切換 時(shí)間指輸出頻率由一個(gè)頻率 切換 到另一個(gè)頻率 并達(dá)到穩(wěn)定工作 所需的時(shí)間。該指標(biāo)與頻率合成所 采 用的技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。 （ 5） 頻譜純度 頻率合成技術(shù)中常常提到 的一個(gè)指標(biāo)就是頻譜純度，頻譜純度以雜散分量和相位噪聲來(lái)衡量。雜散又稱寄生信號(hào)，分為諧波分量和非諧波分量，主要由頻率合成過(guò) 程 中的非線性失真產(chǎn)生，也有頻率合成器內(nèi)外干擾的影響，還與頻率合成方式有關(guān)；相位噪聲是 是瞬間頻率穩(wěn)定度的頻域表示，在頻譜上表現(xiàn)為主譜兩邊連續(xù)噪聲邊帶。頻譜純度是衡量頻率合成器質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo) 。 （ 6） 調(diào)制性能 調(diào)制性能是指頻率合成器的輸出是否具有 調(diào)幅、調(diào)頻 、 調(diào)相 、 幅移鍵控、頻基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 8 移鍵控、相移鍵控 、 掃頻、猝發(fā)等功能。 頻率合成理論 [5]形成于 20 世紀(jì) 30 年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，經(jīng)歷了三代技術(shù)變革 。 第一代：直接頻率合成技術(shù)。直接頻率合成是一種早期的頻率合成技術(shù)，它利用一個(gè)或者多個(gè)不同的晶體振蕩器作為基準(zhǔn)頻率源，經(jīng)過(guò)倍頻、分頻、混頻及模擬開(kāi)關(guān) 等途徑 直接組合出 多個(gè)離散頻率的輸出信號(hào) 。 晶振1晶振2晶振n開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)濾波器開(kāi)關(guān) 濾波器組控制信號(hào)1f2fnf f開(kāi)關(guān) 圖 直接頻率合成 原理 框圖 圖 是直接頻率合成的一種示例。在這種頻率合成技術(shù)中，由控制信號(hào)選擇不同輸入信號(hào)進(jìn)行混頻，在頻率合成器的輸出端可以得到任意一個(gè)輸入頻率的頻率值，或者任意兩個(gè)或兩個(gè)以上頻率的和頻或差頻。 這種方法得到的信號(hào)長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定度高，頻率切換 速度快，但是大量混頻器和濾波器的使用使大規(guī)模集成不可能，因而體積大、功耗大、調(diào)試難度大，并且雜散抑制不 易 做好。目前仍有些雷達(dá)信號(hào)的產(chǎn)生采用此方法。 第二代： 鎖相頻率合成技術(shù)。 鎖相頻率合成也稱間接頻率合成，是 20 世紀(jì)50 年代出現(xiàn)的頻率合成技術(shù)。 它是利用一個(gè)或者幾個(gè)參考頻率源，通過(guò)諧波發(fā)生器混頻或分頻，產(chǎn)生大量的諧波或組合頻率，然后用鎖相環(huán)把壓控振蕩器（ Votage Controlled Oscillator， VCO） 的輸出頻率鎖定在某一諧波或者組合頻率上，由 VCO間接產(chǎn)生所需頻率輸出信號(hào)。 鑒相器 環(huán)路濾波器 壓控振蕩器分頻器247。N參考頻率 參考頻率ofofNrf 圖 鎖相環(huán)頻率合成原理框圖 圖 是鎖相環(huán)頻率合成框圖 ，它的工作原理為：參考頻率提供基準(zhǔn)頻率 rf ，第 二 章 任意波形發(fā)生器的理論分析 9 VCO 輸出頻率 of 經(jīng)分頻器分頻后為 /ofN，此信號(hào)與輸入?yún)⒖夹盘?hào)在鑒相器中進(jìn)行相位比較，鑒相器輸出兩個(gè)信號(hào)的相位誤差信號(hào)，再經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器送到 VCO，調(diào)整 VCO 的輸出頻率使得 /orf N f? ，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。若想改變輸出頻率，可以通過(guò)輸入?yún)⒖碱l率 rf 或者改變分頻器的分頻比 N 來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果固定參考頻率rf 不變，則 VCO 的輸出頻率是隨 N 變化的一組不連續(xù)的頻率，其值是 rf 的整數(shù)倍。 rf 的值就是 頻率合成器的輸出固定頻率分辨率 of? 。 由此可見(jiàn)，鎖相環(huán)頻率合成器實(shí)際上是一個(gè)反饋系數(shù)可變的誤差反饋控制系統(tǒng)。這種頻率合成方法的優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高，雜散抑制好，頻譜純度高，電路簡(jiǎn)單可靠，調(diào)試簡(jiǎn)便 。鎖 相 頻率合成的這些優(yōu)點(diǎn)使其具有廣泛的用途，其中一個(gè)重要的應(yīng)用方向是用高穩(wěn)定的參考頻率振蕩器作為參考 時(shí)鐘 使用環(huán)路鎖定，以提供一系列高純，高穩(wěn)定度的頻率源。 但是鎖 相頻率合成存在一個(gè)問(wèn)題：在改變鎖相頻率合成器的輸出頻率時(shí)，由改變 N 導(dǎo)致失鎖到頻率重新鎖定需要一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間 sT ，而經(jīng)過(guò)前面的分析可知，為了提高其頻率合成的分辨率，需要減小參考頻率 rf ，而這與頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是相矛盾的。根據(jù)工程中的經(jīng)驗(yàn)公式： 25srT f? 式 (22) 由上式可以看出，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間 sT 與參考頻率 rf 成反比。 提高頻率分辨率要以增加頻率切換時(shí)間為代價(jià)。目前解決這一問(wèn)題的辦法是采用小數(shù)分頻合成方法。但總的來(lái)看，鎖相頻率合成引入了閉環(huán)系統(tǒng)，其頻率切換速度比直接合成技術(shù)慢。在頻率轉(zhuǎn)換速度要求不高，但對(duì)相位噪聲、雜散要求高的場(chǎng)合，鎖相頻率合成技術(shù)仍有著特殊的優(yōu)勢(shì)。 第三代：直接數(shù)字頻率合成（ DDS） [6]技術(shù)。 DDS 技術(shù)的出現(xiàn)是頻率合成技術(shù)的一次重大變革， 它 突破了前兩代頻率合成技術(shù)的原理， 從 “ 相位 ” 的概 念出發(fā)進(jìn)行頻率合成。 DDS 的原始結(jié)構(gòu)可以表示為圖 的形式： 地址計(jì)數(shù)器波形存儲(chǔ)器數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器程控時(shí)鐘輸出cfof 圖 DDS 原始結(jié)構(gòu) 圖 所示是 DDS 的最初結(jié)構(gòu)，這是一種基于數(shù)字存儲(chǔ)器的波形產(chǎn)生系統(tǒng)，又被稱做數(shù)字波形存儲(chǔ)直讀法或者直接數(shù)字波形合成 （ Direct Digital Waveform Synthesis， DDWS） 。這種結(jié)構(gòu)利用可程控的 時(shí)鐘 信號(hào)作為地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘，基于 FPGA 的 任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 10 地址計(jì)數(shù)器的輸出作為波形存儲(chǔ)器的掃描地址， 波形存儲(chǔ)器輸出相應(yīng)地址的數(shù)字幅度序列，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬階梯波形，最后通過(guò)低通濾波器平滑濾波得到最后的輸出波形（ 對(duì) DDS 結(jié)構(gòu)詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參照本章 第 2 節(jié) ）。 假定地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為 cf ，波形存儲(chǔ)器內(nèi)存有波形一周期