电子技术领域

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1、第一章绪论#在电子技术领域，常需要波形、频率、幅度都可调节的电信号，用于产生这种电信号的电子测量仪器称作信号发生器。信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。从本质上看，测量是一个将客观物理量转换成测试信息量的变换过程。当测试对象为系统性能参数时，通常采用如下测量方法：在测试系统中，系统参数的测量基于输入激励和输出响应的对应关系，这种方法被称作“激励一响应”法，如图1.1所示。图1.1参数测量

2、系统模型框图采用“激励一响应”方法进行系统参数测量时，需要产生已知的激励信号输入到被测系统，系统对激励信号输出相应的响应信号，通过对该响应的测定和分析找出被测系统的输入一输出关系，从而定义系统的性能。由此我们可以看出，高质量激励信号的产生是系统参数测量中一个重要的环节，标准理想的输入激励是整个测试系统正确工作的基础，它从根本上影响测量系统的性能。自从上世纪40年代惠普为美国海军实验室开发出第一台信号发生开始，信号发生器一直随着电子技术、半导电技术和计算技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。从技术上看，信号发生器经历了由模拟信号发生器、数字信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程。发展到

3、今天，信号发生器的种类已经多种多样，包括正弦信号发生器、脉冲发生器、函数发生器、扫描发生器、任意波形发生器等。按照应用范围又可分为专用信号发生器和通用信号发生器2。传统的信号发生器一般基于模拟技术。它首先生成一定频率的正弦信号，然后再对这个正弦信号进行处理，从而输出其他波形信号（例如通过比较器可以输出方波信号，对方波信号通过积分器可以生成三角波信号等）。这种方法的关键在于如何生成特定频率的正弦信号。早期的信号发生器大都采用谐振法，后来出现采用锁相环等频率合成技术的信号发生器。但基于模拟技术的传统信号发生器能生成的信号类型比较有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少数的规则波形信号。如果需要生

4、成较复杂的波形信号，电路的复杂度及设计难度都将大大增加。随着科学实验研究需求的不断发展，传统的信号发生器在一些特定的场合已经不能满足要求，因为在许多应用研究领域，不但需要一些规则的信号，同时还需要一些不规则信号用于系统特性的研究，如某些电子设备的性能指标测试、系统中各种瞬变波形和电子设备中出现的各种干扰的模拟研究，就需要一些能提供一些非常规测试信号甚至是任意信号的信号源，即能产生现场所需波形的任意波形发生器（ArbitraryWaveformGenerator，AWG）。任意波形发生器是现代电子测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，它的功能远比函数发生器强，可以产生各种理想及非理想的波形信号，对

5、存在的各种波形都可以模拟，广泛应用于测试、通信、雷达、导航、宇航等领域。任意波形发生器的功能任意波形发生器既具有其他信号源的信号生成能力，又可以通过各种编辑手段生成任意的波形采样数据，方便地合成其他信号源所不能生成的任意波形，从而满足测试和仿真实验的要求。任意波形发生器的主要功能包括：（1）函数发生功能基础实验中，为了验证电路功能、稳定性和可靠性，需要给它施加理想波形，任意波形发生器能替代函数发生器提供正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形，还具有各种调制和扫频能力。利用任意波形发生器的这一基础功能就能满足一般实验的信号需求。（2）任意波形生成运行在实际电子环境中的设备，由于各种干扰的存在以及环境

6、的变化，实际电路中往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等。任意波形发生器可以模拟这些特殊信号，以测试系统的实际性能。（3）信号还原功能在一些军事、航空等领域，有些电路运行环境很难估计，在设计完成之后，在现实环境中还需要更进一步的实验验证，而有些实验的成本很高或者风险性很大（如飞机试飞时发动机的运行情况），人们不可能重复作实验来判断所设计产品的可行性和稳定性。此时，可以利用任意波形发生器的信号还原功能。在做一些高耗费、高风险实验时，可以通过数字示波器把实际中用到的实际波形记录下来，再通过计算机接口下载到任意波形发生器，通过任意波形发生器还原实验中的实际波形并加到设

7、计电路中，做进一步的实验验证工作。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、USB2.0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。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

8、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：0.05Hz;（7）频率范围：正弦波，0.05Hz50MHz，任意波0.05Hz5MHz；（8）负载能力：50Q10%（9）幅度范围：-3V+3V；（10）偏置范围：-1.4V+1.4V；（11）频率准确度：0.1%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。第二章任意波形发生器的理论分析#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

9、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fomin和输出最高频率fomax之间的变化范围。fomax-fomin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：

10、omax一fomin00%(fomaxfomin)/22(fomax-fomin)100%fomax*fomin%(2-1)（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

11、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。1

12、ff2图2.1直接频率合成原理框图图2.1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

13、环把压控振荡器(VotageControlledOscillator，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图2.2锁相环频率合成原理框图图2.2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fr,VCO输出频率fo经分频器分频后为f/N，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fo/N二fr，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fr或者改变分频器的分频比N来实现。如果固定参考频率fr不变，则VCO的输出频率是随N变化的一组不连续的

14、频率，其值是fr的整数倍。fr的值就是频率合成器的输出固定频率分辨率.foo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Ts，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fr，而这与频率转换时间是相矛盾的

15、。根据工程中的经验公式：Ts25(2-2)由上式可以看出，频率转换时间Ts与参考频率fr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)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2.3的形式：图2.3DDS原始结构图2.3所示是DDS的最初结构，这是

16、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(DirectDigitalWaveformSynthesis,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，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fc，波形存储器内存有波形一周期内的n个采样值，那么合成的波形频率为：f式n(2-3)可见，采用图2.3结构进行频率合成，输出信号的的频率必须通过更改参考时钟频率或者修

17、改波形存储中的数据点个数来实现。通过进一步的研究，人们提出了一种更为灵活的DDS结构，图2.4所示是基于相位累加器的DDS改进模型。图2.4DDS改进结构为了区分它跟DDWS的不同，我们将这种结构称为直接数字频率合成(DirectDigitalFrequencySynthesis,DDFS)。这种结构用相位累加器取代了原来的地址计数器，使得输出频率的控制变得更加简便，只需要通过修改频率控制字就能实现。随着对DDS技术研究和工程应用的不断深入，DDFS已经逐渐成为DDS的主流结构，以至于人们习惯于用DDS来特指DDFS。DDS具有很高的频率分辨率、初始相位可控及频率切换时间快等突出优点，但同时存

18、在比较严重的杂散。通过对DDS杂散形成机理及特点的深入研究，人们提出了一系列改进措施，大大提高了其输出信号的杂散指标。DDS另外一大优势在于它能方便的产生任意波形，在具体应用中，只需要修改波形存储器内的波形数据即可。在综合考虑DDS技术的这些优势后，本设计决定采用DDS来实现任意波形发生器，同时引入改进措施来降低DDS的杂散指标。DDS原理分析1973年，J.Tiemey和C.M.Tader等人在ADigitalFrequencySynthesize文中首次提出了DDS的概念，但限于当时的技术条件，DDS并没有引起人们的足够重视。上世纪90年代以来，随着数字集成电路和微电子技术的发展，DDS技

19、术的优越性才日益体现出来。DDS基本结构DDS与大多数的数字信号处理技术一样，它的基础仍然是奈圭斯特采样定理。奈圭斯特采样定理是任何模拟信号进行数字化处理的基础，它描述的是一个带限的模拟信号经抽样变成离散值后可不可以由这些离散值恢复原始模拟信号的问题。奈圭斯特采样定理告诉我们，当抽样频率大于或者等于模拟信号最高频率的两倍时，可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复出原始模拟信号。只不过在DDS技术中，这个过程被颠倒过来了。DDS不是对模拟信号进行抽样，而是一个假定抽样过程已经发生且抽样值已经量化完成，如何通过某种方法把已经量化的数值重建原始信号的问题。DDS电路一般由参考时钟、相位累加器、波形存储

20、器、D/A转换器（DAC）图2.5DDS基本结构框图其中，fc为参考时钟频率，K为频率控制字，N为相位累加器位数，A为波形存储器位数，D为波形存储器的数据位字长和D/A转换器位数。DDS系统中的参考时钟通常由一个高稳定度的晶体振荡器来产生，用来作为整个系统各个组成部分的同步时钟。频率控制字（FrequencyControlWord，FCW）实际上是二进制编码的相位增量值，它作为相位累加器的输入累加值。相位累加器由加法器和寄存器级联构成，它将寄存器的输出反馈到加法器的输入端实现累加的功能。在每一个时钟脉冲fc，相位累加器把频率字K累加一次，累加器的输出相应增加一个步长的相位增量，由此可以看出，相

21、位累加器的输出数据实质上是以K为步长的线性递增序列（在相位累加器产生溢出以前），它反映了合成信号的相位信息。相位累加器的输出与波形存储器的地址线相连，相当于对波形存储器进行查表，这样就可以把存储在波形存储器中的信号抽样值（二进制编码值）查出。在系统时钟脉冲的作用下，相位累加器不停的累加，即不停的查表。波形存储器的输出数据送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅度值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号，从而将波形重新合成出来。若波形存储器中存放的是正弦波幅度量化数据，那么D/A转换器的输出是近似正弦波的阶梯波，还需要后级的低通平滑滤波器进一步抑制不必要的杂波就可以得到频谱比较纯净的正弦波信号。图2.6所示为DDS各个部分的输出信号。由于受到字长的限制，相位累加器累加到一定值后，就会产生一次累加溢出，这样波形存储器的地址就会循环一次，输出波形循环一周。相位累加器的溢出频率即为合成信号的频率。可见，频率控制字K越大，相位累加器产生溢出的速度越快，输出频率也就越高。故改变频率字（即相位增量），就可以改变相位累加器的溢出时间，在参考频率不变的条件下就可以改变输出信号的频率器输出DA（输出器输出LPF俞出图2.6DDS各部分输出波形