基于Delphi的DDS可視化新型任意信號發(fā)生器

作者：時間：2007-02-09 來源：網(wǎng)絡(luò)

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對面交流
  海量資料庫查詢

1 引言

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，DDS技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，市場上有很多高性能多功能的DDS專用器件，但其工作方式和控制方式固定，一般用戶很難按自己的要求獲得相應(yīng)的波形[1，2]。同時任意波的輸入方式目前都只限于時域，無法實現(xiàn)電子、通信等領(lǐng)域的科研與教學中所需頻域參數(shù)定義的波形。本文介紹一種基于DDS的可視化信號發(fā)生器，它高精度地生成雙通道±8 V、0．01 Hz～10 MHz正弦波等常規(guī)波形。還可產(chǎn)生數(shù)碼流、調(diào)制信號、隨機噪聲、掃頻信號及時域或頻域自定義波等信號，信號參數(shù)均步進在線可調(diào)，由USB1．1與Delphi7．0完成與PC連機時的接口及圖形操作界面設(shè)計，TFT實現(xiàn)單機工作時的圖形操作界面，實驗表明該設(shè)計是行之有效的。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中用Delphi來開發(fā)圖形上位機軟件；PDIUSBD12為USB控制器，MCU實現(xiàn)系統(tǒng)智能控制和數(shù)值運算，F(xiàn)PGA為系統(tǒng)數(shù)字載體，內(nèi)建DDS、MCU接口、時鐘控制、Flash讀寫、鍵盤掃描和TFT控制等模塊。設(shè)計雙路D／A輸出通道，通過調(diào)節(jié)DAC參考電壓提高小信號幅度分辨率，系統(tǒng)既可由上位機軟件控制實現(xiàn)信號源功能，也可通過觸摸按鍵和TFT圖形液晶顯示器智能實現(xiàn)便攜式任意源功能。

設(shè)計中取系統(tǒng)時標信號頻率為fr=100 MHz，輸出信號每一周期由N個取樣點構(gòu)成，取樣周期為Tr=(1／fr)，則輸出信號的頻率為fo=fr/N，設(shè)合成信號初相為ψ0，相位累加器位數(shù)為x=32，存儲器位數(shù)為y=10，則

其中，f0min為合成器最低輸出頻率，△f為頻率分辨率，設(shè)輸出頻率控制字為k，則：

nψ=ψ02x／2πk為初相量化值，最小相移、占空比的最小值和分辨率分別為：

當x-y>4時，正弦輸出相位截斷噪聲的信噪比SNRP=6．02y-3．992=68．24dB[1，3]，可見相位截斷后仍有較高的信躁比，幅度噪聲的信噪比SNRE=6．02y+20lgr，其中r為輸出波形與滿刻度的峰-峰值之比，取r=1，則SNRE=72．2 dB[3，4]。

3 FPGA與分段時標設(shè)計

FPGA設(shè)計原理如圖2所示。DDSA、DDSB均是雙通道DDS產(chǎn)生模塊，內(nèi)部由32位累加器和波形存儲器RAM組成，累加器在累加時鐘的控制下對頻率控制字k進行累加，其結(jié)果作為波形存儲器RAM的地址來讀出RAM中波形數(shù)值。波形存儲器RAM為雙口RAM，既可在讀信號、讀地址的配合下進行RAM的讀操作。也可在寫信號、寫地址和數(shù)據(jù)輸入信號的配合下進行寫操作，更換波形數(shù)據(jù)見圖3。雙通道設(shè)計為互相調(diào)制提供了方便。波形存儲器RAM為雙口RAM，在進行波形切換時，由MCU控制FPGA啟動Flash讀寫單元，以10 MHz的速度從外部的Flash中讀取4 096個波形數(shù)據(jù)到雙口RAM中。

接口模塊(interface)主要輸出8位DB、24位AB、256個片選信號、讀/寫控制信號，尋址能力達16 MB。Reg_array是寄存器矩陣，實現(xiàn)MCU對FPGA及系統(tǒng)的控制．主要儲存時鐘分頻系數(shù)CLK_DIV[63．．0]，雙通道幅度控制字V[31．．0]、Flash的地址、數(shù)據(jù)和控制信號REGF[63．．0]等。Ping_lv是頻率控制模塊，完成調(diào)頻、掃頻、頻率控制功能，輸出DDS信號產(chǎn)生單元所需的頻率控制字KA[31．．0]和KB[31．．0]，由頻率字選擇模塊、調(diào)頻模塊、掃頻模塊組成。

任意波形產(chǎn)生時，先將從計算機采集到的波形數(shù)據(jù)量化編碼后通過USB下載到Flash存儲器，從Flash中讀取數(shù)據(jù)到雙口RAM中。這樣既能快速地產(chǎn)生任意波形．又能使任意波形在脫離計算機后還能繼續(xù)使用。系統(tǒng)Flash容量為2 MB，分為32頁，除了存儲常規(guī)的6種波形外，還能儲存26個任意波形。

DC可產(chǎn)生方波、數(shù)據(jù)流等其他波形，he．chen主要完成信號的合成功能，包括模擬調(diào)幅、隨機信號、ASK、FSK等。Clcok時鐘控制單元在CLK_DIV[63．．0]和REGC[63．．0]的控制下對外部40 MHz時鐘進行倍頻和分頻，輸出系統(tǒng)所需時鐘。tft是TFT顯示控制單元，采用查找表結(jié)構(gòu)進行單色顯示。輸出直接接到TFT屏的三原色數(shù)據(jù)DR[5．．0]、DG[5．．0]、DB[5..0]，和時序控制信號VS、HS、TFTCLK、REN等，實現(xiàn)波形菜單與圖形界面顯示。Keysan是鍵盤掃描單元，自建鍵盤掃描時序，輸出行列矩陣式鍵盤行列掃描信號，能自動進行鍵值識別、鍵碼鎖存keyvalue[7．．0]，并產(chǎn)生中斷信號int0。Flash控制模塊采用NOR Flash方式，讀操作與普通RAM一樣，但寫操作時要先擦除并輸入命令后才能讀寫。為此設(shè)計給MCU提供與RAM一樣的操作接口，同時在系統(tǒng)進行波形切換時．能自動地從外部Flash波形存儲器中讀取4 096個波形數(shù)據(jù)到DDS單元中．進行波形數(shù)據(jù)的改寫。

根據(jù)DDS原理。在較低的頻率段，由式(2)可知頻率控制字k減小，在對其進行量化時，勢必加大了量化誤差，故降低了信號的時域精度，

為此，在低頻段可由式(1)通過減小fr來降低f0min，提高k以提高信號的時域精度，可以采用分頻的方法，即在不同的頻率段采用不同的時標時鐘fr來解決這個問題，分段時標見表1。

4上位機界面、信號參數(shù)定義與接口

本設(shè)計采用USB1．1作為通信接口，針對由PDIUSBD12實現(xiàn)的USB接口，可以利用Philips公司提供的EasyD12庫來編寫PC機應(yīng)用程序。EasyD12庫包含3個文件，分別是EasyD12．lib、EasyD12．dll和EasyD12．h。庫文件提供了4個可以調(diào)用的函數(shù)，用于完成對PDIUSBD12端點1、端點2的讀寫操作。這4個函數(shù)分別為：

采用上述4個函數(shù)可以簡單地完成對PDIUS-BD12的讀寫操作。由于本設(shè)計中通用USB數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要作用是由控制界面向接口模塊發(fā)送各種命令及波形數(shù)據(jù)，PC機對發(fā)送的時機是十分清楚的(通常在按鍵或菜單選項的響應(yīng)函數(shù)中出現(xiàn))，所以命令及數(shù)據(jù)的可靠性及實時性能得到充分的保障。

主控制界面由波形設(shè)置、任意波形、模擬調(diào)制、數(shù)字調(diào)制、掃描信號、端口設(shè)置等部分組成，利用Delphi7．0提供的強大控件對信號幅度、頻率、占空比等參數(shù)實現(xiàn)實時控制，還有任意信號的手動制作和特殊波形(如抽樣波形、正弦的諧波合成、可控數(shù)碼流等)的采樣。圖4為數(shù)碼流PC控制界面。

任意波形產(chǎn)生是用戶在畫圖區(qū)用鼠標繪制任意形狀的單值波形．把PixelFormat屬性設(shè)置為pf8bit，信號幅度采集分辨率為10位，通過對畫板上的波形掃描把黑色的像素點用數(shù)組記錄該處坐標值，掃描后得到所需波形數(shù)據(jù)。

時域信號疊加產(chǎn)生是依據(jù)各種實際需要，對常規(guī)波形進行疊加。軟件主要由波形構(gòu)造、數(shù)據(jù)計算分析及控制組成。通過用戶輸入的公式及各常規(guī)波形的參數(shù)計算得出新的波形數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)進行描圖。計算定義為時域波形數(shù)據(jù)的加、減、乘、除。

頻域還原時域信號產(chǎn)生是采用諧波輸入法。依據(jù)幅度譜和相位譜信息。利用反傅立葉變換實偶對稱級數(shù)，還原為時域波形，經(jīng)4 096個點數(shù)據(jù)采集，10位量化編碼后得到所需波形數(shù)據(jù)。

5 研制結(jié)果與展望

研制的雙通道"便攜式DDS高精度信號發(fā)生器"樣機采用40 MHz外部晶振，TFT選用彩色PT035TNO1，F(xiàn)PGA選用Altera-Cyclone系列EP1C6 T114-8。DAC選用10位ADI-AD9763，運算放大器選用ADI-AD8014，MCU 選用Philips-P89LV51RD2，F(xiàn)lash選用AM19LV160D[5]。主要性能如下：

(1)主波形有正弦波、方波等，100μHz～10MHz，儲存波形為100 Hz～100 kHz。分辨率為100μHz。幅度分辨率10 bit，(≤10 MHz)10 mV～18Vp-p(高阻)，1 mV～10 Vp-p(50 Ω)。

(2)任意波形由計算機界面輸入，具有時域與頻域三種輸入方式。

(3)調(diào)制特性：內(nèi)調(diào)制，調(diào)制信號頻率范圍為100μHz～1 MHz，調(diào)制深度范圍為1％～100％，數(shù)碼流、碼元速率可編程，調(diào)頻時最大頻偏為載波頻率的50％。

(4)掃描特性：頻率掃描掃描起終點及步進100μHz≤f≤10 MHz，幅度掃描掃描起終點及步進10mV≤V≤10 V，步進時間均為1 ms～20 s，線性掃描。向上或向下或來回掃描，自動控制方式。

(5)偽隨機噪聲：隨機碼元移位速率可調(diào)，可編程數(shù)碼流：碼元32位可編程輸入，波特率1 kb／s～1000 kb／s，電平10mV～10 V。

實驗表明：研制的樣機功能多、操作方便、TFT與PC屏幕顯示直觀、具有獨特的任意信號輸入方式、性價比高，儀器還可設(shè)計對外部輸入信號實時調(diào)制，直流分量應(yīng)可控，由矢量分析儀產(chǎn)生的頻譜圖存儲后轉(zhuǎn)入信號發(fā)生器來重現(xiàn)時域波形的工作正在研究之中。

新聞中心

基于Delphi的DDS可視化新型任意信號發(fā)生器

評論

相關(guān)推薦

技術(shù)專區(qū)