基于fpga的任意波形发生器设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)

基于fpga的任意波形发生器设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

数器寻址波形存 储器的 任意波形发生器 在一段时期内曾得到广泛的应用，其取样时钟 频率较高且 可调节， 但其 对硬件要求比较高，需要高性能的锁相环和 截止频率可调的低通滤波器 （或者 多个低通滤波器 ） ，且频率分辨率低，频率切换速度较慢，已经逐步退出市场。 目前市场上的任意波形发生器主要采用直接数字合成（ Direct Digital Synthesuzer， DDS）技术，这种波形发生器不仅可以产生可变频的载频信号、各种调制信号，同时还能和计算机配合产生用户自定义的有限带宽的任意信号，可以为多种领域的测试提供宽带宽、高分辨率的测试信号。 任意波 形发生器发展到今天，从产品结构形式来划分，主要包含三种： （ 1） 独立仪器结构形式 独立仪器结构形式是把任意波形发生器设计成单台仪器的形式，其优点是精度高，可独立工作。 （ 2） PC 总线式 PC（ Personal Computer） 总线式是将任意波形发生器板卡直接插在 PC 机的总线扩展槽或通过外部接口连接到 PC 总线上，利用 PC 机来控制任意波形发生器的工作状态，其优点是可以充分利用 PC 机的软硬件资源，在波形数据处理、波形参数修改方面，计算机有明显的优势。 （ 3） VXI 模块式 VXI 模块是一种新型的模块化仪器 ，它必须插在 VXI 总线机箱上才能使用，VXI 总线机箱通过 GPIB 或者 RS232C 等接口与计算机相连， VXI 模块仪器对组成自动测试系统特别有用，各个公司的 VXI 卡式仪器模块可以自由组合使用。 从发展状况来看， 国外 任意波形发生器 的研制及生 产 技术已经较为成熟。 以安捷伦（ Agilent）和泰克（ Tektronix） 为代表的国际电子测量仪器公司 在此领域进行了卓有成效的研究和开发，其产品无论在技术上还是市场占有率方面在国际上都享有盛誉 ，但其价格也是相当昂贵 ，高端型号每台价格都在几万美金左右，低端的也要几万人民币。 Tektronix 公司的独立 结构 任意波形 发生器 AFG3000 系列 功能完善，人机界面友好，操作方便，可以以多种方式连接到 PC 机 上，其 最高采样率能达到 2GS/s，输出信号最高频率为 240MHz， 任意波频率 50MHz， 并配备的强大的波形编辑软件 ArbExpress，用户可以 方面地 创建和编辑 自己的 波形。 Agilent 公司的 PXI 模块 任意波形 发生器采样率 已经能达到 ，最高输出频率 500MHz。 我国研制任意波形发生器是从上世纪 90 年代开始的 ，近年来有一批本土厂商奋起直追，并取得了可喜的成果。 例如 南京盛普科技电 子有限公司的基于 FPGA 的 任意波形发生器的设计与 实现 4 SPF120 型信号发生器的主波输出频率达到了 120MHz，任意波 最高 频率 为100KHz； 北京普源精电 科技有限公司 （ RIGOL）生产的 DG1000/20xx/3000 系列任意波形发生器，在性能上已经大略相当于国外中低端产品。 课题 研究 目标 从国内已有的成熟的任意波形发生器产品来看，无论是从种类、性能还是生产规模上均与国外同类产品存在较大差距。 因此，加紧任意波形发生器相关技术的研究仍然非常必要，对发展我国电子行业也有着非常重要的影响，并且具有广阔的发展前景，若能与国外同类产品保持在性价比上的 优势，将可以打破国外的技术和市场垄断地位。 如何降低任意波形发生器的成本，并提高其性能指标是本课题研究的重点。 本课题结合 DDS 技术、虚拟仪器技术、 总线接口技术，并借助 FPGA 可编程逻辑实现一 款 低成本、便携式、可扩展的 虚拟 任意波形发生器。 在学习、借鉴国外先进技术的同时，研究、掌握 利用 DDS 技术 实现的 任意波形发生器的基本组成和关键技术，为研制高性能多通道任意波形发生器打下坚实的基础，为早日实现国产任意波形发生器达到世界先进水平而努力。 本课题研究的任意波形发生器主要有以下性能指标： （ 1） 通道数： 2 个，一个作为输出通道，一个作为外输入调制通道； （ 2） 输出波形：正弦波、占空比可调方波、三角波、锯齿波、噪声以及用户自定义波形； （ 3） 调制性能：调幅 、调频 、 幅移键控 、 频移键控 、 相移键控 ； （ 4） 波形容量： 4K； （ 5） 幅值 分辨率： 10bits； （ 6） 频率分辩率： ； （ 7） 频率范围：正弦波， ~50MHz，任意波 ~5MHz； （ 8） 负载能力： 50Ω177。 10%； （ 9） 幅度范围： 3V~+3V； （ 10） 偏置范围 ： ~+； （ 11） 频 率准确度： ≤177。 % 在功能上，该虚拟信号发生器可以作为函数信号发生器、任意波形发生器、噪声信号发生器 使用，具有良好的人机界面，能够产生各种常规波形，还能产生由用户生成的任意波形。 第一章 绪论 5 主要研究工作及论文内容安排 本文 主要研究基于 FPGA 的任意波形发生器的设计与实现，在分析研究 DDS基本原理的基础上开发出了任意波形发生器的硬件平台和软件界面。 本文实现的任意波形发生器既具有虚拟仪器成本低、可扩展、灵活性强、人机界面友好等特点，又具备传统台式任意波形发生器的优良性能，能够产生各种常规波形，如正弦波、方波、 三角波、锯齿波等，也能产生用户自定义的任意波形，另外它还可以产生噪声信号和调幅、调频及多种数字调制信号。 本论文共分 七 章，各章内容安排如下： 第一章为绪论，简要介绍本文研究工作的发展 现状 、目的和意义 以及课题研究的目标； 第二章详细分析了 DDS 的基本原理及其输出信号的频谱结构，介绍了 DDS频谱特性改进技术； 第三章 描述任意波形发生器的设计方案和总体结构，并对各个模块硬件电路进行了设计； 第四章介绍了基于 FPGA 的控制模块、 DDS 波形发生模块和调制模块的具体设计 以及 DDS 杂散抑制技术具体实现； 第五章介绍了波形 发生器的软件设计，从固件代码、驱动程序及用户程序三个方面进行了说明； 第六章对本文设计的任意波形发生器的具体性能测试作了说明 ； 第七章对本文的研究工作进行了总结，并指明了该课题进一步的研究方向。 第二章 任意波形发生器的理论分析 7 第二章 任意波形发生器的理论分析 频率合成技术 及性能指标 所谓频率合成技术是指以一个或者多个 高精确度和 高稳定度 的 频率参考 信号源为基准， 在某一频段内 ， 综合产生多个工作频率点的 技术。 频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段， 在通信、 雷达、 导 航、广播电视、电子侦察、电子干扰与反干扰 及现代仪器仪表中有着广泛的应用。 依据频率合成原理制成的频率源称为频率合成器。 对频率合成器的基本要求是既要合成所需频率，又要保证信号的纯净。 综合来看，衡量频率合成器的主要性能指标 [4]为： （ 1） 输出频率范围 输出频率范围是指频率合成器输出最低频率 minof 和输出最高频率 maxof 之间的变化范围。 max minooff 越大，频率合成器的输出频率范围越宽，有时候也用相对带宽 f 来衡量 其输出频率范围： 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） 频率稳定度 频率稳定度指在 在规定的时间 间隔内，频率合成器的实际输出频率与频率标定值偏差的数值，可分为长期、短期和瞬时稳定度。 （ 3） 频率分辨率 频率合成器的输出频谱通常是不连续的。 频率分辨率指两个输出频率之间的最小间隔。 （ 4） 频率 切换 时间 频率 切换 时间指输出频率由一个频率 切换 到另一个频率 并达到稳定工作 所需的时间。 该指标与频率合成所 采 用的技术紧密关联。 （ 5） 频谱纯度 频率合成技术中常常提到 的一个指标就是频谱纯度，频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量。 杂散又称寄生信号，分为谐波分量和非谐波分量，主要由频率合成过 程 中的非线性失真产生，也有频率合成器内外干扰的影响，还与频率合成方式有关；相位噪声是 是瞬间频率稳定度的频域表示，在频谱上表现为主谱两边连续噪声边带。 频谱纯度是衡量频率合成器质量的一个重要指标。 （ 6） 调制性能 调制性能是指频率合成器的输出是否具有 调幅、调频 、 调相 、 幅移键控、频基于 FPGA 的 任意波形发生器的设计与 实现 8 移键控、相移键控 、 扫频、猝发等功能。 频率合成理论 [5]形成于 20 世纪 30 年代，经过几十年的发展，经历了三代技术变革。 第一代：直接频率合成技术。 直接频率合成是一种早期的频率合成技术，它利用一个或者多个不同的晶体振荡器作为基准频率源，经过倍频、分频、混频及模拟开关 等途径 直接组合出 多个离散频率的输出信号。 晶振1晶振2晶振n开关开关滤波器开关 滤波器组控制信号1f2fnf f开关 图 直接频率合成 原理 框图 图 是直接频率合成的一种示例。 在这种频率合成技术中，由控制信号选择不同输入信号进行混频，在频率合成器的输出端可以得到任意一个输入频率的频率值，或者任意两个或两个以上频率的和频或差频。 这种方法得到的信号长期和短期稳定度高，频率切换 速度快，但是大量混频器和滤波器的使用使大规模集成不可能，因而体积大、功耗大、调试难度大，并且杂散抑制不 易 做好。 目前仍有些雷达信号的产生采用此方法。 第二代： 锁相频率合成技术。 锁相频率合成也称间接频率合成，是 20 世纪50 年代出现的频率合成技术。 它是利用一个或者几个参考频率源，通过谐波发生器混频或分频，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器（ Votage Controlled Oscillator， VCO） 的输出频率锁定在某一谐波或者组合频率上，由 VCO间接产生所需频率输出信号。 鉴相器 环路滤波器 压控振荡器分频器247。 N参考频率 参考频率ofofNrf 图 锁相环频率合成原理框图 图 是锁相环频率合成框图 ，它的工作原理为：参考频率提供基准频率 rf ，第 二 章 任意波形发生器的理论分析 9 VCO 输出频率 of 经分频器分频后为 /ofN，此信号与输入参考信号在鉴相器中进行相位比较，鉴相器输出两个信号的相位误差信号，再经过环路滤波器送到 VCO，调整 VCO 的输出频率使得 /orf N f ，环路进入锁定状态。 若想改变输出频率，可以通过输入参考频率 rf 或者改变分频器的分频比 N 来实现。 如果固定参考频率rf 不变，则 VCO 的输出频率是随 N 变化的一组不连续的频率，其值是 rf 的整数倍。 rf 的值就是 频率合成器的输出固定频率分辨率 of。 由此可见，锁相环频率合成器实际上是一个反馈系数可变的误差反馈控制系统。 这种频率合成方法的优点是频率稳定度高，杂散抑制好，频谱纯度高，电路简单可靠，调试简便。 锁 相 频率合成的这些优点使其具有广泛的用途，其中一个重要的应用方向是用高稳定的参考频率振荡器作为参考 时钟 使用环路锁定，以提供一系列高纯，高稳定度的频率源。 但是锁 相频率合成存在一个问题：在改变锁相频率合成器的输出频率时，由改变 N 导致失锁到频率重新锁定需要一个转换时间 sT ，而经过前面的分析可知，为了提高其频率合成的分辨率，需要减小参考频率 rf ，而这与频率转换时间是相矛盾的。 根据工程中的经验公式： 25srT f 式 (22) 由上式可以看出，频率转换时间 sT 与参考频率 rf 成反比。 提高频率分辨率要以增加频率切换时间为代价。 目前解决这一问题的办法是采用小数分频合成方法。 但总的来看，锁相频率合成引入了闭环系统，其频率切换速度比直接合成技术慢。 在频率转换速度要求不高，但对相位噪声、杂散要求高的场合，锁相频率合成技术仍有着特殊的优势。 第三代：直接数字频率合成（ DDS） [6]技术。 DDS 技术的出现是频率合成技术的一次重大变革， 它 突破了前两代频率合成技术的原理， 从 “ 相位 ” 的概 念出发进行频率合成。 DDS 的原始结构可以表示为图 的形式： 地址计数器波形存储器数模转换器低通滤波器程控时钟输出cfof 图 DDS 原始结构 图 所示是 DDS 的最初结构，这是一种基于数字存储器的波形产生系统，又被称做数字波形存储直读法或者直接数字波形合成 （ Direct Digital Waveform Synthesis， DDWS）。 这种结构利用可程控的 时钟 信号作为地址计数器的计数时钟，基于 FPGA 的 任意波形发生器的设计与 实现 10 地址计数器的输出作为波形存储器的扫描地址， 波形存储器输出相应地址的数字幅度序列，再经过数模转换成模拟阶梯波形，最后通过低通滤波器平滑滤波得到最后的输出波形（ 对 DDS 结构详细说明请参照本章 第 2 节 ）。 假定地址计数器的时钟频率为 cf ，波形存储器内存有波形一周期。