基于DDS技术的虚拟式任意波形发生器研究

摘要

波形发生器是一种常用的电子测量仪器。传统的波形发生器是由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，调试难度大，且不易程控，更重要的是只能产生几种常规波形。而在现代电子测量和自动控制等领域，经常要求波形发生器能够产生更加复杂甚至是任意波形，以满足各种测试和实验的需要，于是任意波形发生器应运而生。 为了解决传统波形发生器的诸多弊端，增强波形发生器的功能和灵活性，本文在研究直接数字频率合成(DDS)技术的基础上，利用FPGA器件的硬件特点，结合虚拟仪器技术，提出了任意波形发生器的软、硬件设计方案，并将整个仪器功能划分为现场可编程门阵列(FPGA)器件、外围硬件电路和上位机软件三部分来实现。 本文对DDS的基本原理和输出频谱特性进行理论分析，总结出杂散分布规律。同时以DDS的频谱分析为基础，给出了几种改善杂散的方法。本文采用傅立叶变换的方法对相位截断时DDS杂散信号的频谱特性进行深入的研究，得到了杂散分布的规律性结论，并用Matlab软件进行仿真验证。 由于DDS技术具有频率分辨率高、频率转换速度快等优点，所以本文采用DDS技术来合成所需要的波形。而DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件，因此本文将FPGA器件和DDS技术相结合，确定了FPGA器件的整体设计方案，详细说明了各个模块的功能和设计方法，并对其关键部分进行了优化设计，从而实现了波形发生器数字电路部分的功能。为了得到满足设计要求的模拟波形，本文还设计了幅度控制、D/A转换和低通滤波等外围硬件电路，最终构建了一个通用的完全可编程控制的波形发生器硬件平台。 在Visual C++6．0环境下用C++语言编写上位机软件部分，结合程序流程图，完成了虚拟面板和驱动程序的设计，实现了通过计算机的增强性并口(EPP)实时控制波形发生器的功能。软件设计中虚拟面板的设计尤为重要，它不仅要产生波形数据并显示所需要的波形，还要完成与外部硬件电路的通信，以达到控制波形产生的目的。 对设计的功能进行实验测量，通过对实验结果的分析可知，此任意波形发生器输出波形的种类多，精度高并且控制灵活方便，因此本设计方案能够达到预期的性能指标。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1频率合成技术的发展

1.2任意波形发生器的发展

1.3虚拟仪器简介

1.4本文的主要任务

第二章DDS的基本原理及频谱分析

2.1 DDS的基本原理

2.2 DDS的输出频谱特性

2.2.1理想情况下DDS的频谱分析

2.2.2相位截断时DDS的频谱分析

2.2.3幅度量化误差对DDS频谱的影响

2.2.4 DAC非理想特性对DDS频谱的影响

2.3改善杂散的方法

2.3.1改进的相位累加器结构

2.3.2波形存储器的数据压缩技术

2.3.3抖动注入方法

2.4本章小结

第三章EDA技术与FPGA/CPLD器件

3.1 EDA技术概述

3.2可编程逻辑器件(PLD)

3.2.1可编程逻辑器件的发展

3.2.2 FPGA/CPLD器件的特点

3.3 Cyclone系列FPGA器件

3.3.1 Cyclone器件的结构特性

3.3.2 Cyclone器件的配置方式

3.4本章小结

第四章DDS技术的FPGA设计与实现

4.1 EPP接口简介

4.2 EP1C3的整体设计结构

4.3 EPP接口电路的设计

4.4 DDS模块的设计

4.4.1数据和地址总线控制模块的设计

4.4.2流水线结构的相位累加器设计

4.4.3波形存储器的设计

4.5本章小结

第五章虚拟式任意波形发生器的设计

5.1系统的总体设计方案

5.2系统的软件设计

5.2.1虚拟面板的设计

5.2.2驱动程序的设计

5.3幅度控制和D/A转换电路

5.3.1 AD9760的简介

5.3.2幅度控制电路

5.3.3 D/A转换电路

5.4低通滤波器的设计

5.5实验结果及分析

5.6本章小结

结束语

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文