提高任意波形发生器采样率的方法研究

摘要

在电子测量领域，信号源同稳压源、万用表和示波器等仪器一样被广泛地应用。基于直接数字合成技术的任意波形发生器因其输出信号频率分辨率和稳定度高、频率切换速度快、切换时输出相位连续等优点，已基本取代传统的信号源。随着测试系统逐渐复杂多样化，被测模块对信号源提出更高的要求，要求它具有更高的输出频率、更多的波形种类和通道数。所以在降低成本的前提下，如何有效提高任意波形发生器的采样率是非常重要的问题。
　　本文围绕如何提高任意波形合成的采样率，详细阐述了分相存储、真插值和伪插值三种方法的工作原理，对比分析了它们的优缺点。结合实际项目应用，采用分相存储法解决DDS系统中FPGA内部相位累加器和波形存储器速度限制问题，提高任意波形合成的采样率，最终在最高工作频率为250MHz的FPGA上实现了500MSa/s的波形合成设计。
　　论文首先介绍了DDS技术的基本原理，分析了采用专用DDS芯片和采用FPGA两种方法实现波形合成的优缺点后，选择了灵活性好、可移植性强的FPGA波形合成方案。然后给出了基于分相存储的DDS技术的基本结构，并在FPGA上设计实现了DDS固件逻辑模块，具体包含地址分配与译码、高速相位累加器、双通道相位差精确可调及并串转换等重要模块。同时根据系统设计指标，完成系统硬件电路设计，主要有外部时钟模块、FPGA模块、DAC模块、通道输出模块和电源模块。通过规范布局布线、设计层叠结构合理的PCB、设计阻抗可控的传输线及降低系统噪声等方法，解决了该高速数模混合系统中信号完整性问题使系统更加稳定可靠。
　　论文最后对分相存储信号源进行性能参数测试。测试结果为:采样率为500MSa/s，最大输出正弦波频率为160MHz，输出信号幅度范围为4mVpp至20Vpp，可输出各种常规波形、调制波形及任意波形，达到设计要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文的主要工作

第2章 直接数字合成方法

2．1 DDS的工作原理

2．2 DDS实现方法的选择

2．2．1 采用专用DDS芯片

2．2．2 采用FPGA

2．3 提高DDS采样率的方法研究

2．3．1 基于分相存储的DDS技术

2．3．2 基于真插值模式的DDS技术

2．3．3 基于伪插值模式的DDS技术

2．3．4 提高DDS采样率方法的选择

第3章 系统硬件电路设计

3．1 核心芯片选型

3．1．1 FPGA芯片选型

3．1．2 高速DAC芯片选型

3．2 时钟电路设计

3．2．1 ADF4360-7概述

3．2．2 ADF4360-7外部电路设计

3．3 FPGA电路设计

3．3．1 FPGA I／O分配

3．3．2 FPGA配置电路的设计

3．4 数模转换模块设计

3．4．1 AD9781内部时钟分析

3．4．2 AD9781并行接口时序优化

3．4．3 AD9781输出电路

3．5 任意波形发生器通道输出电路设计

3．5．1 低通滤波电路设计

3．5．2 差分转单端电路

3．5．3 衰减网络和后端放大电路设计

3．5．4 直流偏置电路设计

3．6 电源模块设计

3．6．1 数字电源模块设计

3．6．2 模拟电源模块设计

第4章 FPGA内部关键逻辑模块的设计

4．1 地址分配与译码模块

4．2 高速相位累加器模块设计

4．3 双通道相位差精确可调模块设计

4．4 并串转换模块设计

4．4．1 并串转换模块的选择

4．4．2 时钟模块设计

4．4．3 配置并串转换模块

第5章 任意波形发生器的信号完整性研究

5．1 PCB层叠结构设计

5．2 阻抗可控传输线设计

5．3 数模混合系统的降噪

5．4 双通道信号间的耦合

5．4．1 耦合的产生

5．4．2 去耦合

第6章 任意波形发生器性能测试

6．1 频率特性测试

6．1．1 频率准确度测试

6．1．2 正弦波频谱纯度测试

6．2 幅度特性测试

6．2．1 输出幅度测试

6．2．2 幅频特性测试

6．3 直流偏置测试

6．4 输出波形测试

6．4．1 常规波形输出

6．4．2 调制波及任意波输出

第7章 总结与展望

附录

参考文献

致谢