高速任意波形發(fā)生器的原理及硬件設(shè)計(jì)方案

波形發(fā)生器的應(yīng)用在生活中隨處可見，其中使用較多的波形發(fā)生器為任意波形發(fā)生器。為增進(jìn)大家對(duì)波形發(fā)生器的理解，本文特帶來高速任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)實(shí)例。如果你對(duì)本文內(nèi)容存在一定興趣，不妨耐心往下閱讀哦。

任意波形發(fā)生器是目前電子測(cè)量?jī)x器中發(fā)展最為快速的產(chǎn)品之一。它既可輸出標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號(hào)，也可以產(chǎn)生由用戶定義的非標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)波形(任意波形)信號(hào)，并且有豐富的模擬調(diào)制(AM，F(xiàn)M，PM)和數(shù)字調(diào)制 (FSK，PSK)功能，能為不同的應(yīng)用領(lǐng)域提供各種標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，尤其在水下聲納、通信、雷達(dá)導(dǎo)航、電子對(duì)抗等裝備的研制、生產(chǎn)、維修中，是必不可少的信號(hào)發(fā)生器?；跀?shù)字頻率合成技術(shù)，給出高速任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案。

1 高速任意波形發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 任意波形發(fā)生器的工作原理

目前任意波形發(fā)生器的產(chǎn)生有兩種方案，一種方案是采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)產(chǎn)生任意波形，工作原理如圖1所示。

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的DDS電路應(yīng)當(dāng)由以下幾部分構(gòu)成，既相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器、低通或帶通濾波器構(gòu)成。任意波形數(shù)據(jù)預(yù)先通過人機(jī)接口寫入波形存儲(chǔ)器中，相位累加器的作用是根據(jù)輸入的頻率控制字對(duì)參考振蕩器輸出的時(shí)鐘相位進(jìn)行采樣。當(dāng)相位累加器的步長(zhǎng)為K時(shí)。任意波形的輸出頻率

式中，F(xiàn)s為固定采樣時(shí)鐘頻率，n為相位累加器長(zhǎng)度，改變頻率控制字K，就可以改變DDS的輸出頻率。

采用DDS技術(shù)構(gòu)成的任意波形發(fā)生器具有輸出頻率分辨率高、頻率改變相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在兩個(gè)重要缺陷。首先是當(dāng)相位累加器的相位增量步長(zhǎng)較大時(shí)，輸出波形將產(chǎn)生抖動(dòng);其次由于DDS技術(shù)不是逐點(diǎn)讀取波形存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，因此輸出波形會(huì)丟失許多有用的信息。

任意波形發(fā)生器的另外一種設(shè)計(jì)方案如圖2所示，其工作原理是任意波形發(fā)生器的時(shí)鐘通過使計(jì)數(shù)器加1來改變由計(jì)數(shù)器構(gòu)成的地址產(chǎn)生電路的輸出地址，計(jì)數(shù)器順序掃過波形存儲(chǔ)器中的每一個(gè)地址直到波形數(shù)據(jù)的末端，每個(gè)地址中的波形數(shù)據(jù)都被送至D/A轉(zhuǎn)換器中以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)，而后D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)還需經(jīng)過低通濾波器對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的躍變邊緣進(jìn)行平滑處理得到所需的任意波形。在這種方案中，所有波形數(shù)據(jù)都被送入D/A轉(zhuǎn)換器中，所以不會(huì)丟失波形數(shù)據(jù)，但要全部輸出波形存儲(chǔ)器中定義的波形數(shù)據(jù)內(nèi)容，并且任意波形的輸出信號(hào)頻率可變，那么取樣時(shí)鐘的頻率就必需是可變的，這點(diǎn)與由DDS構(gòu)成的任意波形發(fā)生器有著明顯的區(qū)別。采用該方案任意波形的輸出頻率

式中，F(xiàn)s為可變采樣時(shí)鐘頻率。

使用該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠輸出復(fù)雜的任意波形，對(duì)于高速任意波形發(fā)生器最為適合。基于該方案的任意波形發(fā)生器采樣速率可達(dá)200百萬次/秒，任意波形的最高輸出頻率可以達(dá)到50 MHz。高速任意波形發(fā)生器波形總體電路的方框圖如圖3所示。

1.2 任意波形產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

如圖4所示，一個(gè)完整的任意波形產(chǎn)生電路主要由時(shí)鐘發(fā)生電路、地址計(jì)數(shù)器、波形存儲(chǔ)器、鎖存器、奇偶數(shù)據(jù)選擇電路以及D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。

時(shí)鐘發(fā)生電路用于產(chǎn)生任意波形發(fā)生器所需的可變時(shí)鐘，通常可以由單片機(jī)控制的鎖相環(huán)電路構(gòu)成，在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用鎖相環(huán)集成電路，產(chǎn)生最高頻率為100 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘電路的輸出信號(hào)送往地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端，以驅(qū)動(dòng)地址計(jì)數(shù)器掃描波形存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，地址計(jì)數(shù)器采用15位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，邏輯上等同于4片74F161級(jí)聯(lián)，地址計(jì)數(shù)器輸出的15位地址數(shù)據(jù)與波形存儲(chǔ)器的地址輸入端相連，波形存儲(chǔ)器使用四片32 K×8(讀寫速度為12 ns)的SRAM級(jí)聯(lián)成32 K×32的SRAM陣列，SRAM陣列輸出端的32比特?cái)?shù)據(jù)中，24比特為波形數(shù)據(jù)，2比特為控制信號(hào)，其余6比特?cái)?shù)據(jù)線不使用。每個(gè)波形點(diǎn)分辨率為12 比特，每個(gè)地址存放兩個(gè)波形點(diǎn)的數(shù)據(jù)，單片段任意波信號(hào)最長(zhǎng)可達(dá)64 K個(gè)點(diǎn)，2個(gè)控制信號(hào)分別為停止位、同步位，停止位數(shù)據(jù)線通過D觸發(fā)器與地址計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端端相連，當(dāng)檢測(cè)到掃描至最后一個(gè)波形地址時(shí)，停止位將地址計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端置位，這樣在下一個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)，地址計(jì)數(shù)器又從該任意波形的首地址尋址，讀取波形數(shù)據(jù)。控制信號(hào)中的同步位用于輸出外同步信號(hào)。波形存儲(chǔ)器輸出的24位任意波形數(shù)據(jù)由鎖存器鎖存后送往12位奇偶數(shù)據(jù)選擇電路的輸入端。如前所述，波形存儲(chǔ)器的每個(gè)地址存放兩個(gè)點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)，在通過人機(jī)接口向波形存儲(chǔ)器寫入波形數(shù)據(jù)時(shí)，一個(gè)點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)由每個(gè)地址中的奇數(shù)位數(shù)據(jù)構(gòu)成，另外一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由偶數(shù)位構(gòu)成，這樣做的好處是每個(gè)采樣時(shí)鐘到來時(shí)，可同時(shí)讀取2個(gè)波形點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使得輸出波形的最高頻率增大了1倍，相當(dāng)于采樣時(shí)鐘的頻率提高了1倍，大大提高儀器性能。12位奇偶數(shù)據(jù)選擇電路邏輯上等同于3片74F157。奇偶數(shù)據(jù)選擇電路的輸出端與 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將從波形存儲(chǔ)器中讀取的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，由于最高時(shí)鐘頻率為100 MHz，所以D/A轉(zhuǎn)換器選擇速率為125百萬次/秒的AD975。根據(jù)采樣定律輸出信號(hào)的基波頻率將低于所用的參考時(shí)鐘頻率的一半，在本方案中采樣時(shí)鐘最高頻率為100 MHz，一個(gè)任意波形最少可由4個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，并且每個(gè)時(shí)鐘周期讀取兩個(gè)波形數(shù)據(jù)，因此所輸出的任意波形信號(hào)的最高頻率為50 MHz。上述電路中，15位同步二進(jìn)制地址計(jì)數(shù)器、24位鎖存器、12位奇偶數(shù)據(jù)選擇電路及相關(guān)控制電路也可由高速CPLD實(shí)現(xiàn)。

1.3 濾波器設(shè)計(jì)

經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通常含有較多的時(shí)鐘成分及較為陡峭的躍變邊緣，為了減少輸出波形的抖動(dòng)、抑制高次諧波，在任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)中選擇有效的濾波器就顯得非常重要，高速任意波形發(fā)生器即能輸出正弦波，又可輸出三角波、鋸齒波、脈沖波以及任意波型，因此要根據(jù)不同頻段和波形來選擇不同性能的濾波器，橢圓(EllipTIc)濾波器具有陡峭的過渡特性，適合用作正弦波的輸出濾波器，三角波、鋸齒波和任意波具有豐富的頻譜，因此要求濾波器在通帶范圍內(nèi)具有良好的幅頻特性，以保證信號(hào)通過濾波器后即不產(chǎn)生失真，又能濾去雜散信號(hào)。橢圓濾波器對(duì)正弦波以外的其他波形會(huì)產(chǎn)生劇烈的振鈴，而具有線形相位的高斯 (Gaussian)濾波器可以滿足這些要求，在本方案中由于任意波形發(fā)生器的采樣時(shí)鐘可變，因此它的低通濾波器的截止頻率也必須變化，否則在有些頻段就不起濾波作用，或者是在高頻段有用信號(hào)會(huì)被衰減，為此本設(shè)計(jì)方案中采用截止頻率為25 MHz、50 MHz的七階橢圓濾波器以及截止頻率為20 MHz高斯濾波器，由單片機(jī)根據(jù)不同情況編程選擇。圖5給出了截止頻率為50 MHz的七階橢圓濾波器以及截止頻率為20 MHz高斯濾波器的電路。

1.4 GPIB接口設(shè)計(jì)

盡管目前在智能儀器中有許多新的接口標(biāo)準(zhǔn)，比如USB、LAN等，但是GPIB(General Purpose InteRFace Bus)接口仍然是業(yè)界公認(rèn)的智能儀器標(biāo)準(zhǔn)接口，在本方案中采用GPIB接口由PC機(jī)向任意波形發(fā)生器下載數(shù)據(jù)，并可通過GPIB總線遠(yuǎn)程控制任意波形發(fā)生器，GPIB接口電路由采用NI公司的NAT7210 GPIB專用集成電路和TI公司生產(chǎn)的GPIB總線驅(qū)動(dòng)器SN75160以及SN75162構(gòu)成，NAT7210輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的GPIB格式數(shù)據(jù)，符合 IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)，GPIB總線驅(qū)動(dòng)器的作用是增強(qiáng)接口的驅(qū)動(dòng)能力。NAT7210與SN75160、SN75161以及單片機(jī)之間的連接方法參見文獻(xiàn)。

2 高速任意波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)

高速任意波形發(fā)生器的軟件包括PC機(jī)部分的波形編輯及下載軟件以及儀器內(nèi)部的單片機(jī)控制軟件兩部分，波形編輯及下載軟件具備各種任意波形編輯能力，例如直線編輯方式、曲線編輯方式、公式編輯方式、調(diào)制波形編輯方式。波形編輯及下載軟件能夠通過GPIB接口與任意波形發(fā)生器通信完成任意波形數(shù)據(jù)的下載及儀器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。儀器內(nèi)部的單片機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)采用經(jīng)典的主程序循環(huán)和中斷服務(wù)模式，其流程圖如圖6所示。儀器加電后，首先進(jìn)行自檢和軟、硬件的初始化，再進(jìn)入主程序的循環(huán)，主程序的循環(huán)是等待中斷處理的過程，它依據(jù)中斷請(qǐng)求判斷中斷源，開中斷并轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷處理子程序，完成對(duì)應(yīng)操作或硬件控制。

3 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)完成的任意波形發(fā)生器樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，采用該方案的任意波形發(fā)生器能夠輸出低至10 MHz、高達(dá)50 MHz的任意波形，輸出波形穩(wěn)定，無波形數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，通過PC機(jī)上的波形編輯軟件，能夠產(chǎn)生種類豐富的任意波形，可廣泛應(yīng)用在國(guó)防、科研、教育及工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域。