一种DDS脉冲边沿调节方法、模块和脉冲信号发生器

摘要

本申请公开了一种DDS脉冲边沿调节方法、模块和脉冲信号发生器，该脉冲信号发生器包括依次连接的输入设备、微处理器、DDS模块和数模转换器，DDS模块包括：相位累加器、幅度转换模块、脉宽调节模块和边沿调节模块；边沿调节模块包括：检测模块用于检测初始脉冲信号数据的上升沿的到来时刻和下降沿的到来时刻；上升沿调节模块用于根据上步进值实现初始脉冲信号数据的上升沿调节；下降沿调节模块用于根据下步进值实现初始脉冲信号数据的下降沿调节。本申请提供的技术方案相比现有技术，能在低频率时实现脉冲信号边沿的快速上升和下降且占空比极小，并可大范围精确调节脉冲信号边沿。

说明书

技术领域

本申请涉及电子仪器领域，尤其涉及一种DDS脉冲边沿调节方法、模块和脉冲信号发生器。

背景技术

DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）可产生任意脉冲波形，目前调节脉冲边沿采用的方法有：一种是使用分立元器件组成的硬件电路的调节；另一种是针对不同的上升下降沿，把相应的脉冲波形数据填充到DDS的波形存储器的方式调节脉冲边沿。但是这两种方法的脉冲边沿调节的范围都很小，在低频率脉冲时都不能实现脉冲信号边沿的快速上升和下降。另外第二种方法边沿的大小会受到脉冲信号频率的影响；低频率脉冲时边沿时间很大（毫秒级），不能设定快速边沿即脉冲信号边沿的时间很小（纳秒级）；受到波形长度的限制，低频率脉冲的占空比不能设定很小（一般最小只能调到0.1%）；若想获取不同的脉冲波形，即改变脉冲的频率、边沿和脉宽时，要重新更新波形数据，特别是当波形数据的长度很大时需要很长时间改变脉冲的各个参数。

发明内容

本申请要解决的主要技术问题是，提供一种能在低频率时实现脉冲信号边沿的快速上升和下降且占空比极小，并可大范围精确调节脉冲信号边沿的DDS脉冲边沿调节方法、模块和脉冲信号发生器。

本申请一方面提供一种DDS脉冲边沿调节方法，包括以下步骤：

根据用户输入的脉冲信号参数生成初始脉冲信号数据；

检测初始脉冲信号数据的上升沿和下降沿的到来时刻；

根据检测到的上升沿和下降沿对初始脉冲信号数据进行边沿调节，包括：从上升沿到来时刻开始，每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照上升步进值进行递增，直到采样点的幅值递增到脉冲信号的最大幅值为止；从下降沿到来时刻开始，每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照下降步进值进行递减，直到采样点的幅值递减到脉冲信号的最小幅值为止；

对经过边沿调节后的脉冲信号数据进行数模转换，输出边沿调节后的脉冲信号。

进一步，上升步进值和下降步进值分别根据用户输入的脉冲信号的上升沿时间和下降沿时间计算得到或预先设置。

进一步，上升步进值和下降步进值的计算公式分别为：

$>\mathrm{\Delta rise}=\frac{A}{T_r}·\frac{1}{F_s}$>

$>\mathrm{\Delta fall}=\frac{A}{T_f}·\frac{1}{F_s}$>

其中，△rise为上升步进值，△fall为下降步进值，T_r表示用户输入的脉冲信号的上升沿时间，T_f表示用户输入的脉冲信号的下降沿时间，A为初始脉冲信号最大幅值，F_s为采样频率。

进一步，用户输入的脉冲信号参数包括脉冲信号的频率、脉宽、上升沿时间和下降沿时间。

本申请又一方面提供一种DDS模块，包括：

相位累加器，用于根据用户输入的频率控制字在每个工作时钟周期内进行相位累加，产生初始脉冲信号数据相对应的相位值；所述频率控制字由初始脉冲信号的频率转换得到；

幅度转换模块，用于将相位值转换为初始脉冲信号数据的幅值；

脉宽调节模块，用于根据用户输入的脉宽调节初始脉冲信号数据的脉宽；

边沿调节模块，用于对初始脉冲信号数据的边沿进行调节，并输出边沿调节后的脉冲信号数据，边沿调节模块包括：

检测模块，用于检测初始脉冲信号数据的上升沿的到来时刻和下降沿的到来时刻；

上升沿调节模块，用于根据上步进值实现初始脉冲信号数据的上升沿调节；

下降沿调节模块，用于根据下步进值实现初始脉冲信号数据的下降沿调节。

进一步，上升沿调节模块从上升沿到来时刻开始，每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照上升步进值进行递增，直到采样点的幅值递增到脉冲信号的最大幅值为止；下降沿调节模块从下降沿到来时刻开始，每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照下降步进值进行递减，直到采样点的幅值递减到脉冲信号的最小幅值为止。

进一步，上升步进值和下降步进值分别根据用户输入的脉冲信号的上升沿时间和下降沿时间计算得到或预先设置。

进一步，上升步进值和下降步进值的计算公式分别为：

$>\mathrm{\Delta rise}=\frac{A}{T_r}·\frac{1}{F_s}$>

$>\mathrm{\Delta fall}=\frac{A}{T_f}·\frac{1}{F_s}$>

其中，△rise为上升步进值，△fall为下降步进值，T_r表示用户输入的脉冲信号的上升沿时间，T_f表示用户输入的脉冲信号的下降沿时间，A为初始脉冲信号的最大幅值，F_s为采样频率。

本申请又一方面提供一种脉冲信号发生器，包括：

包括依次连接的输入设备、微处理器、DDS模块和数模转换器；

输入设备用于提供输入接口，接收用户输入的脉冲信号参数；

微处理器用于获取频率控制字、脉宽计数值、上升步进值和下降步进值并输出给DDS模块；

DDS模块用于根据脉冲信号参数产生初始脉冲信号数据，检测初始脉冲信号数据的上升沿的到来时刻和下降沿的到来时刻；根据检测到的上升沿和下降沿对初始脉冲信号数据进行边沿调节，包括：从上升沿到来时刻开始，每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照上升步进值进行递增后输出，直到采样点的幅值递增到脉冲信号的最大幅值为止；从下降沿到来时刻开始，每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照下降步进值进行递减后输出，直到采样点的幅值递减到脉冲信号的最小幅值为止；

数模转换器用于接收DDS模块输出的经过边沿调节后的脉冲信号数据，对经过边沿调节后的脉冲信号数据进行数模转换，输出边沿调节后的脉冲信号。

进一步，用户输入的脉冲信号参数包括脉冲信号的频率、脉宽、上升沿时间和下降沿时间，微处理器将脉冲信号的频率转换成频率控制字，将脉冲信号的脉宽转换成脉宽计数值，DDS模块根据频率控制字和脉宽计数值产生初始脉冲信号数据，微处理器根据上升沿时间、下降沿时间、脉冲信号的最大幅值和采样频率计算上升步进值和下降步进值。

本申请的有效效果是：本申请提供的DDS脉冲边沿调节方法、模块和脉冲信号发生器，通过边沿调节模块使得在低频率时实现脉冲信号边沿的快速上升和下降且占空比极小，并可大范围精确调节脉冲信号边沿。

附图说明

图1是本申请实施例的一种脉冲信号发生器结构框图；

图2是本申请实施例的一种DDS脉冲边沿调节方法的流程图；

图3是本申请实施例的一种初始脉冲信号和经边沿调节模块调节后输出的脉冲信号示意图；

图4是本申请的脉冲信号边沿调节示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本申请提供的一种脉冲信号发生器，包括依次连接的输入设备1、微处理器2、DDS模块3和数模转换模块4。其中，DDS模块3包括相位累加器31、幅度转换模块32、脉宽调节模块33和边沿调节模块34。边沿调节模块34又包括上升沿调节模块341、下降沿调节模块342和检测模块343。

输入设备1用于提供输入接口，接收用户输入的脉冲信号参数；在一种具体实施例中，用户输入的脉冲信号参数包括脉冲信号的频率、脉宽、上升沿时间和下降沿时间。微处理器2用于获取频率控制字、脉宽计数值、上升步进值和下降步进值并输出给DDS模块3，本实施例中，上升步进值和下降步进值分别根据用户输入的脉冲信号的上升沿时间和下降沿时间计算得到，其他实施例中，上升步进值和下降步进值也可预先设置，上升步进值和下降步进值的计算公式分别为：

$>\mathrm{\Delta rise}=\frac{A}{T_r}·\frac{1}{F_s}---\left(1\right)$>

$>\mathrm{\Delta fall}=\frac{A}{T_f}·\frac{1}{F_s}---\left(2\right)$>

其中，△rise为上升步进值，△fall为下降步进值，T_r表示用户输入的脉冲信号的上升沿时间，T_f表示用户输入的脉冲信号的下降沿时间，A为初始脉冲信号最大幅值，F_s为数模转换器（DAC）的采样频率。在本实施例中，△rise、△fall和A采用数字量表示。

DDS模块3的相位累加器31用于根据频率控制字在每个工作时钟周期内进行相位累加，产生初始脉冲信号数据相对应的相位值；本实施例中，微处理器2将脉冲信号的频率转换成频率控制字并输送给相位累加器31。其他实施例中，频率控制字还可预先存储于频率控制寄存器中，在使用时由频率控制寄存器输出给相位累加器31。幅度转换模块32用于将相位值转换为初始脉冲信号数据的幅值。脉宽调节模块33用于根据用户输入的脉宽调节初始脉冲信号数据的脉宽。边沿调节模块34用于对初始脉冲信号数据的边沿进行调节，并输出边沿调节后的脉冲信号数据。边沿调节模块34中的检测模块343用于检测初始脉冲信号数据的上升沿的到来时刻和下降沿的到来时刻。上升沿调节模块341用于根据上升步进值实现初始脉冲信号数据的上升沿调节，实现的方式为：上升沿调节模块341从上升沿到来时刻开始，在每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照上升步进值进行递增，直到采样点的幅值递增到脉冲信号的最大幅值为止。最大幅值指需要产生的脉冲信号的高电平幅值。下降沿调节模块342用于根据下步进值实现初始脉冲信号数据的下降沿调节，实现的方式为，下降沿调节模块342从下降沿到来时刻开始，在每过一个时钟周期，将采样点的幅值按照下降步进值进行递减，直到采样点的幅值递减到脉冲信号的最小幅值为止。最小幅值指需要产生的脉冲信号的低电平幅值。数模转换器4用于接收DDS模块3输出的经过边沿调节后的脉冲信号数据，对经过边沿调节后的脉冲信号数据进行数模转换，输出边沿调节后的脉冲信号。值得注意的是，脉冲信号数据的位宽往往大于数模转换器的数据位宽，那么具体实现时将脉冲信号数据的高有效位连接到数模转换器的数据输入口。

基于上述脉冲信号发生器，如图2所示，本申请提供的一种DDS脉冲边沿调节方法，包括以下步骤：

步骤S100，根据用户输入的脉冲信号参数生成初始脉冲信号数据。

用户可通过输入设备输入脉冲信号参数，通过微处理器进入DDS模块中，这些参数包括脉冲信号的频率、脉宽、上升沿时间和下降沿时间，微处理器2根据上述公式（1）和（2）分别计算出上升步进值△rise和下降步进值△fall，并输出给DDS模块的边沿调节模块。相位累加器根据频率控制字在每个工作时钟周期内进行相位累加，产生初始脉冲信号数据相对应的相位值，幅度转换模块将该相位值转换为初始脉冲信号数据的幅值，脉宽调节模块根据用户输入的脉宽将初始脉冲信号数据的脉宽调节为用户想要得到的脉宽。如图3（A）表示所示是本申请实施例的一种初始脉冲信号数据对应的波形图101。

步骤S101，检测模块检测采样点的幅值是最小幅值还是最大幅值，若是最小幅值，则执行步骤S102，若是最大幅值，则执行步骤S103。

步骤S102，检测脉冲信号数据的上升沿到来时刻，当未检测到上升沿到来时刻时，每个采样点的幅值都设为最小幅值，并将采样点的数据输出到数模转换器。当检测到上升沿到来时刻时，从上升沿到来时刻（如图4所示的a点）开始，对初始脉冲信号数据的上升沿进行调节。

上升沿到来时刻的检测方法可采用将当前采样点的幅值和前一采样点的幅值进行比较的方法，如果当前采样点的幅值与前一采样点的幅值的差值大于预设的第一阈值，则认为上升沿到来。上升沿到来时刻的检测方法也可采用现有技术中的其它检测方法。

在一种具体实施例中，在上升沿调节步骤中，按照设定的时钟，每过一个时钟周期，边沿调节模块的上升沿调节模块将采样点的幅值按照上升步进值△rise进行递增，直到采样点的幅值递增到脉冲信号的最大幅值为止，即将采样点的幅值从最小幅值开始，下一采样点的幅值为最小幅值加上上升步进值△rise，之后的每个采样点的幅值为在前一采样点幅值的基础上增加上升步进值△rise，并将递增后的幅值替换为当前采样点的幅值，并将替换后的采样点的数据输出到数模转换器。为满足需要的脉冲信号的上升沿时间，在每次幅值递增后将递增后的幅值与所需脉冲的最大值进行比较，若某一采样点（如图4所示的c点）的幅值超过脉冲信号的最大幅值，则将该采样点的幅值替换为脉冲信号的最大幅值，并停止上升沿调节。

在一种具体实施例中，在上升沿调节步骤中，按照设定的时钟频率对初始脉冲信号数据进行采样，但对每个采样点，在前一采样点幅值的基础上增加上升步进值△rise，并将递增后的幅值替换为当前采样点的幅值，并将替换后的采样点的数据输出到数模转换器。并将递增后的幅值与所需脉冲的最大值进行比较，若某一采样点的幅值超过脉冲信号的最大幅值，则将该采样点的幅值替换为脉冲信号的最大幅值，并停止上升沿调节。

停止上升沿调节后转向步骤S101。

步骤S103，检测脉冲信号数据的下降沿到来时刻，当未检测到下降沿到来时刻时，每个采样点的幅值都设为最大幅值，并将采样点的数据输出到数模转换器。当检测到下降沿到来时刻时，从下降沿到来时刻（如图4所示的b点）开始，对初始脉冲信号数据的上升沿进行调节。

下降沿到来时刻的检测方法可采用将当前采样点的幅值和后一采样点的幅值进行比较的方法，如果当前采样点的幅值与后一采样点的幅值的差值大于预设的第二阈值，则认为下降沿到来。下降沿到来时刻的检测方法也可采用现有技术中的其它检测方法。

在一种具体实施例中，在下降沿调节步骤中，按照设定的时钟，每过一个时钟周期，边沿调节模块的下降沿调节模块将采样点的幅值按照下降步进值△fall进行递减，直到采样点的幅值递减到脉冲信号的最小幅值为止，即将采样点的幅值从最大幅值开始，下一采样点的幅值为最大幅值减去下降步进值△fall，之后的每个采样点的幅值为在前一采样点幅值的基础上减少下降步进值△fall，并将递减后的幅值替换为当前采样点的幅值，并将替换后的采样点的数据输出到数模转换器。为满足需要的脉冲信号的下降沿时间，在每次幅值递减后将递减后的幅值与所需脉冲的最小值进行比较，若某一采样点（如图4所示的d点）的幅值底过脉冲信号的最小幅值，则将该采样点的幅值替换为脉冲信号的最小幅值，并停止下降沿调节。

在一种具体实施例中，在下降沿调节步骤中，按照设定的时钟频率对初始脉冲信号数据进行采样，但对每个采样点，在前一采样点幅值的基础上减少下降步进值△fall，并将递减后的幅值替换为当前采样点的幅值，并将替换后的采样点的数据输出到数模转换器。并将递减后的幅值与所需脉冲的最小值进行比较，若某一采样点的幅值低过脉冲信号的最小幅值，则将该采样点的幅值替换为脉冲信号的最小幅值，并停止下降沿调节。

停止下降沿调节后转向步骤S101。

步骤S104，对经过边沿调节后的脉冲信号数据进行数模转换，输出边沿调节后的脉冲信号。

初始脉冲信号数据经过边沿调节模块的调节后再经过数模转换器转换后即可输出用于想要获取的脉冲信号，如图3（B）所示是本申请实施例的初始脉冲信号数据经过边沿调节模块调节后对应的波形图201。

将上述公式（1）和（2）变形后得到下面两个公式（3）和（4），

$>T_r=\frac{A}{\mathrm{\Delta rise}}·\frac{1}{F_s}---\left(3\right)$>

$>T_f=\frac{A}{\mathrm{\Delta fall}}·\frac{1}{F_s}---\left(4\right)$>

从上面两个公式（3）和（4）可以看出，上升步进值△rise和下降步进值△fall越小，脉冲边沿的上升沿时间T_r和下降沿时间T_f就越大，上升步进值△rise和下降步进值△fall越大，则得到的脉冲边沿的上升沿时间T_r和下降沿时间T_f就越小。故在采样频率F_s和最大幅值A不变的情况下，只要改变上升步进值△rise和下降步进值△fall，就可以改变脉冲信号的边沿斜率，从而实现了脉冲信号的边沿调节。

实际应用中要求边沿至少为2个采样周期，即当△rise为时，min（T_r）为令△rise为1，得到max（T_f）为同理，当△fall为时，min（T_r）为令△fall为1，得到max（T_f）为可见当A数字量很大（比如2的30次方）时，脉冲信号的边沿调节调节范围很大，可以从纳秒（ns）级调节到秒（s）级。

DDS脉冲的输出频率为$>F_{\mathrm{pulse}}=\frac{1}{T_{\mathrm{pulse}}}=\frac{\mathrm{FTW}}{2^N}\times F_s,$>其中FTW为频率控制字，N为DDS相位累加器的位宽，F_s是采样频率。即使在低频率时仍然可以保持快速（纳秒级）的上升下降沿，低频率时脉宽很小，上升下降沿很快，脉宽可以很小，因此能够做到极小的占空比。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。