電子技術(shù)領(lǐng)域

1、在電子技術(shù)領(lǐng)域，常需要波形、頻率、幅度都可調(diào)節(jié)的電信號，用于產(chǎn)生這 種電信號的電子測量儀器稱作信號發(fā)生器。信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學(xué)實 驗等領(lǐng)域。作為一種為電子測量和計量提供電信號的設(shè)備，它和萬用表、示波器、 頻率計等儀器一樣，是最普通、最基本，也是應(yīng)用最廣泛的電子儀器之一，幾乎 所有電參量的測量都需要用到信號發(fā)生器。從本質(zhì)上看，測量是一個將客觀物理 量轉(zhuǎn)換成測試信息量的變換過程。當(dāng)測試對象為系統(tǒng)性能參數(shù)時，通常采用如 下測量方法：在測試系統(tǒng)中，系統(tǒng)參數(shù)的測量基于輸入激勵和輸出響應(yīng)的對應(yīng)關(guān) 系，這種方法被稱作“激勵一響應(yīng)”法，如圖1.1所示。圖1.1參數(shù)測

2、量系統(tǒng)模型框圖采用“激勵一響應(yīng)”方法進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)測量時，需要產(chǎn)生已知的激勵信號輸 入到被測系統(tǒng)，系統(tǒng)對激勵信號輸出相應(yīng)的響應(yīng)信號，通過對該響應(yīng)的測定和分 析找出被測系統(tǒng)的輸入一輸出關(guān)系，從而定義系統(tǒng)的性能。由此我們可以看出， 高質(zhì)量激勵信號的產(chǎn)生是系統(tǒng)參數(shù)測量中一個重要的環(huán)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)理想的輸入激勵 是整個測試系統(tǒng)正確工作的基礎(chǔ)，它從根本上影響測量系統(tǒng)的性能。自從上世紀(jì)40年代惠普為美國海軍實驗室開發(fā)出第一臺信號發(fā)生開始，信號 發(fā)生器一直隨著電子技術(shù)、半導(dǎo)電技術(shù)和計算技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，幾乎成為這些 技術(shù)發(fā)展的一個縮影。從技術(shù)上看，信號發(fā)生器經(jīng)歷了由模擬信號發(fā)生器、數(shù)字 信號發(fā)生器到虛擬信號發(fā)生器的

3、發(fā)展過程。發(fā)展到今天，信號發(fā)生器的種類已經(jīng) 多種多樣，包括正弦信號發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意 波形發(fā)生器等。按照應(yīng)用范圍又可分為專用信號發(fā)生器和通用信號發(fā)生器傳統(tǒng)的信號發(fā)生器一般基于模擬技術(shù)。它首先生成一定頻率的正弦信號，然 后再對這個正弦信號進(jìn)行處理，從而輸出其他波形信號（例如通過比較器可以輸 出方波信號，對方波信號通過積分器可以生成三角波信號等）。這種方法的關(guān)鍵在 于如何生成特定頻率的正弦信號。早期的信號發(fā)生器大都采用諧振法，后來出現(xiàn) 采用鎖相環(huán)等頻率合成技術(shù)的信號發(fā)生器。但基于模擬技術(shù)的傳統(tǒng)信號發(fā)生器能 生成的信號類型比較有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少數(shù)

4、的規(guī)則波 形信號。如果需要生成較復(fù)雜的波形信號，電路的復(fù)雜度及設(shè)計難度都將大大增 加。隨著科學(xué)實驗研究需求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器在一些特定的場合已 經(jīng)不能滿足要求，因為在許多應(yīng)用研究領(lǐng)域，不但需要一些規(guī)則的信號，同時還 需要一些不規(guī)則信號用于系統(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，就需要一些能提供 一些非常規(guī)測試信號甚至是任意信號的信號源，即能產(chǎn)生現(xiàn)場所需波形的任意波 形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator， AWG）。任意波形發(fā)生器是現(xiàn)代電子測試領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一，它的功 能遠(yuǎn)比函數(shù)

5、發(fā)生器強(qiáng)，可以產(chǎn)生各種理想及非理想的波形信號，對存在的各種波 形都可以模擬，廣泛應(yīng)用于測試、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。任意波形發(fā)生器的功能任意波形發(fā)生器既具有其他信號源的信號生成能力，又可以通過各種編輯手 段生成任意的波形采樣數(shù)據(jù)，方便地合成其他信號源所不能生成的任意波形，從 而滿足測試和仿真實驗的要求。任意波形發(fā)生器的主要功能包括：（1）函數(shù)發(fā)生功能基礎(chǔ)實驗中，為了驗證電路功能、穩(wěn)定性和可靠性，需要給它施加理想波形， 任意波形發(fā)生器能替代函數(shù)發(fā)生器提供正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形， 還具有各種調(diào)制和掃頻能力。利用任意波形發(fā)生器的這一基礎(chǔ)功能就能滿足一般 實驗的信號需求。（2）任意波

6、形生成運(yùn)行在實際電子環(huán)境中的設(shè)備，由于各種干擾的存在以及環(huán)境的變化，實際電 路中往往存在各種信號缺陷和瞬變信號，例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突 變等。任意波形發(fā)生器可以模擬這些特殊信號，以測試系統(tǒng)的實際性能。（3）信號還原功能在一些軍事、航空等領(lǐng)域，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計，在設(shè)計完成之后，在 現(xiàn)實環(huán)境中還需要更進(jìn)一步的實驗驗證，而有些實驗的成本很高或者風(fēng)險性很大 （如飛機(jī)試飛時發(fā)動機(jī)的運(yùn)行情況），人們不可能重復(fù)作實驗來判斷所設(shè)計產(chǎn)品的 可行性和穩(wěn)定性。此時，可以利用任意波形發(fā)生器的信號還原功能。在做一些高 耗費(fèi)、高風(fēng)險實驗時，可以通過數(shù)字示波器把實際中用到的實際波形記錄下來， 再通過計算

7、機(jī)接口下載到任意波形發(fā)生器，通過任意波形發(fā)生器還原實驗中的實 際波形并加到設(shè)計電路中，做進(jìn)一步的實驗驗證工作。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)、USB2.0總線接口技術(shù)，并借助FPGA可 編程邏輯實現(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 鑒國外先進(jìn)技術(shù)的同時，研究、掌握利用DDS技術(shù)實現(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)生器打下堅實的基礎(chǔ)，為早日 實現(xiàn)國產(chǎn)任意波形發(fā)生器達(dá)到世界先進(jìn)水平而努力。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，一個作為輸出通道，一個作為

8、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：0.05Hz；（7）頻率范圍：正弦波，0.05Hz50MHz，任意波0.05Hz5MHz；（8）負(fù)載能力：50Q10%；（9）幅度范圍：-3V+3V；（10）偏置范圍：-1.4V+1.4V；（11）頻率準(zhǔn)確度：0.1%在功能上，該虛擬信號發(fā)生器可以作為函數(shù)信號發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、噪 聲信號發(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

9、任意波形。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)是指以一個或者多個高精確度和高穩(wěn)定度的頻率參考信 號源為基準(zhǔn)，在某一頻段內(nèi)，綜合產(chǎn)生多個工作頻率點(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 信號的純凈。綜合來看，衡量頻率合成器的主要性能指標(biāo)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和輸出最高頻率二響之間 的變化范圍。fmax - fmm越大，頻率合成器的輸出頻

10、率范圍越寬，有時候也用相 對帶寬昌來衡量其輸出頻率范圍：o maxo minX 100% - 2( f max 一 f m/ X 100%(f+ f )/2f + fo maxo mino maxo min（2-1）（2）頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度指在在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，頻率合成器的實際輸出頻率與頻率標(biāo) 定值偏差的數(shù)值，可分為長期、短期和瞬時穩(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。頻率分辨率指兩個輸出頻率之間的 最小間隔。（4）頻率切換時間頻率切換時間指輸出頻率由一個頻率切換到另一個頻率并達(dá)到穩(wěn)定工作所 需的時間。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

11、常常提到的一個指標(biāo)就是頻譜純度，頻譜純度以雜散分量和 相位噪聲來衡量。雜散又稱寄生信號，分為諧波分量和非諧波分量，主要由頻率 合成過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 移鍵控、相移鍵控、掃頻、猝發(fā)等功能。頻率合成理論 形成于20世紀(jì)30年代，經(jīng)過幾十年的發(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

12、或者多個不同的晶體振蕩器作為基準(zhǔn)頻率源，經(jīng)過倍頻、分頻、混頻及 模擬開關(guān)等途徑直接組合出多個離散頻率的輸出信號。f 晶振f 晶振1f2 晶振2f晶振n控制二信號-濾波器組圖2.1直接頻率合成原理框圖圖2.1是直接頻率合成的一種示例。在這種頻率合成技術(shù)中，由控制信號選 擇不同輸入信號進(jìn)行混頻，在頻率合成器的輸出端可以得到任意一個輸入頻率的 頻率值，或者任意兩個或兩個以上頻率的和頻或差頻。這種方法得到的信號長期 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)信號的產(chǎn)生采用此方法。第二代：鎖相頻

13、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)。它是利用一個或者幾個參考頻率源，通過諧波發(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。圖2.2鎖相環(huán)頻率合成原理框圖圖2.2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f VCO輸出頻率f經(jīng)分頻器分頻后為f /N，此信號與輸入?yún)⒖夹盘栐阼b相器中 進(jìn)行相位比較，鑒相器輸出兩個信號的相位誤差信號，再經(jīng)過環(huán)路濾波器送到VCO，調(diào)整VCO的

14、輸出頻率使得f /N = f，環(huán)路進(jìn)入鎖定狀態(tài)。若想改變輸 出頻率，可以通過輸入?yún)⒖碱l率f或者改變分頻器的分頻比N來實現(xiàn)。如果固 r定參考頻率f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 r是f的整數(shù)倍。f的值就是頻率合成器的輸出固定頻率分辨率f。r由此可見，鎖相環(huán)頻率合成器實際上是一個反饋系數(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 簡單可靠，調(diào)試簡便。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 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

15、在一個問題：在改變鎖相頻率合成器的輸出頻率時，由 改變N導(dǎo)致失鎖到頻率重新鎖定需要一個轉(zhuǎn)換時間T，而經(jīng)過前面的分析可知， 為了提高其頻率合成的分辨率，需要減小參考頻率f 而這與頻率轉(zhuǎn)換時間是相 矛盾的。根據(jù)工程中的經(jīng)驗公式：r(2-2)由上式可以看出，頻率轉(zhuǎn)換時間T與參考頻率匕成反比。提高頻率分辨率要 以增加頻率切換時間為代價。目前解決這一問題的辦法是采用小數(shù)分頻合成方 法。但總的來看，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，但對相位噪聲、雜散要求高的場合，鎖相頻率 合成技術(shù)仍有著特殊的優(yōu)勢。第三代：直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)。DDS技術(shù)的出現(xiàn)

16、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2.3的形式：圖2.3 DDS原始結(jié)構(gòu)圖2.3所示是DDS的最初結(jié)構(gòu)，這是一種基于數(shù)字存儲器的波形產(chǎn)生系統(tǒng)， 又被稱做數(shù)字波形存儲直讀法或者直接數(shù)字波形合成(Direct Digital Waveform Synthesis, DDWS)。這種結(jié)構(gòu)利用可程控的時鐘信號作為地址計數(shù)器的計數(shù)時 鐘，地址計數(shù)器的輸出作為波形存儲器的掃描地址，波形存儲器輸出相應(yīng)地址的 數(shù)字幅度序列，再經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換成模擬階梯波形，最后通過低通濾波器平滑濾波 得到最后的輸出波形(對DDS結(jié)構(gòu)詳

17、細(xì)說明請參照本章第2節(jié))。假定地址計數(shù)器的時鐘頻率為fc，波形存儲器內(nèi)存有波形一周期內(nèi)的個采 樣值，那么合成的波形頻率為：f o n式(2-3)可見，采用圖2.3結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻率合成，輸出信號的的頻率必須通過更改參考 時鐘頻率或者修改波形存儲中的數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)來實現(xiàn)。通過進(jìn)一步的研究，人們提 出了一種更為靈活的DDS結(jié)構(gòu)，圖2.4所示是基于相位累加器的DDS改進(jìn)模型。圖2.4 DDS改進(jìn)結(jié)構(gòu)為了區(qū)分它跟DDWS的不同，我們將這種結(jié)構(gòu)稱為直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis， DDFS)。這種結(jié)構(gòu)用相位累加器取代了原 來的地址計數(shù)器，使得輸出頻率的控制變

18、得更加簡便，只需要通過修改頻率控制 字就能實現(xiàn)。隨著對DDS技術(shù)研究和工程應(yīng)用的不斷深入，DDFS已經(jīng)逐漸成 為DDS的主流結(jié)構(gòu)，以至于人們習(xí)慣于用DDS來特指DDFS。DDS具有很高的 頻率分辨率、初始相位可控及頻率切換時間快等突出優(yōu)點(diǎn)，但同時存在比較嚴(yán)重 的雜散。通過對DDS雜散形成機(jī)理及特點(diǎn)的深入研究，人們提出了一系列改進(jìn) 措施，大大提高了其輸出信號的雜散指標(biāo)。DDS另外一大優(yōu)勢在于它能方便的 產(chǎn)生任意波形，在具體應(yīng)用中，只需要修改波形存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)即可。在綜 合考慮DDS技術(shù)的這些優(yōu)勢后，本設(shè)計決定采用DDS來實現(xiàn)任意波形發(fā)生器， 同時引入改進(jìn)措施來降低DDS的雜散指標(biāo)。DDS原理

19、分析1973 年，J.Tiemey 和 C.M.Tader等人在A Digital Frequency Synthesizer一 文中首次提出了 DDS的概念，但限于當(dāng)時的技術(shù)條件，DDS并沒有引起人們的 足夠重視。上世紀(jì)90年代以來，隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，DDS 技術(shù)的優(yōu)越性才日益體現(xiàn)出來。DDS基本結(jié)構(gòu)DDS與大多數(shù)的數(shù)字信號處理技術(shù)一樣，它的基礎(chǔ)仍然是奈圭斯特采樣定 理。奈圭斯特采樣定理是任何模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理的基礎(chǔ)，它描述的是一個 帶限的模擬信號經(jīng)抽樣變成離散值后可不可以由這些離散值恢復(fù)原始模擬信號 的問題。奈圭斯特采樣定理告訴我們，當(dāng)抽樣頻率大于或者等于模擬信號最高

20、頻率的 兩倍時，可以由抽樣得到的離散信號無失真地恢復(fù)出原始模擬信號。只不過在 DDS技術(shù)中，這個過程被顛倒過來了。DDS不是對模擬信號進(jìn)行抽樣，而是一 個假定抽樣過程已經(jīng)發(fā)生且抽樣值已經(jīng)量化完成，如何通過某種方法把已經(jīng)量化 的數(shù)值重建原始信號的問題。DDS電路一般由參考時鐘、相位累加器、波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器（DAC） 和低通濾波器（LPF）組成7其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.5所示。圖2.5 DDS基本結(jié)構(gòu)框圖其中，f為參考時鐘頻率，K為頻率控制字，n為相位累加器位數(shù)，A為 C波形存儲器位數(shù)，D為波形存儲器的數(shù)據(jù)位字長和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。DDS系統(tǒng)中的參考時鐘通常由一個高穩(wěn)定度的晶體振蕩器來產(chǎn)生，用來作 為整