利用数字频率合成技术设计高速任意波形发生器(下)

2020年2月26日08:15:00 评论

波形发生器已有较多使用,各大机械公司均具备波形发生器产品。上篇文章中,小编为大家带来一篇波形发生器设计实例,讲解了如何利用数字频率合成技术设计高速任意波形发生器。本文波形发生器相关内容,为上篇文章的余下部分,一起来了解下吧。

一、任意波形产生电路的设计

如图4所示,一个完整的任意波形产生电路主要由时钟发生电路、地址计数器、波形存储器、锁存器、奇偶数据选择电路以及D/A转换器构成。

利用数字频率合成技术设计高速任意波形发生器(下)
图4 一个完整的任意波形产生电路

时钟发生电路用于产生任意波形发生器所需的可变时钟,通常可以由单片机控制的锁相环电路构成,在实际设计中采用锁相环集成电路,产生最高频率为100MHz的时钟信号,时钟电路的输出信号送往地址计数器的时钟输入端,以驱动地址计数器扫描波形存储器中的数据,地址计数器采用15位二进制同步计数器,逻辑上等同于4片74F161级联,地址计数器输出的15位地址数据与波形存储器的地址输入端相连,波形存储器使用四片32K×8(读写速度为12ns)的SRAM级联成32K×32的SRAM阵列,SRAM阵列输出端的32比特数据中,24比特为波形数据,2比特为控制信号,其余6比特数据线不使用。每个波形点分辨率为12比特,每个地址存放两个波形点的数据,单片段任意波信号最长可达64K个点,2个控制信号分别为停止位、同步位,停止位数据线通过D触发器与地址计数器的预置数控制端端相连,当检测到扫描至最后一个波形地址时,停止位将地址计数器的预置数控制端置位,这样在下一个时钟到来时,地址计数器又从该任意波形的首地址寻址,读取波形数据。控制信号中的同步位用于输出外同步信号。波形存储器输出的24位任意波形数据由锁存器锁存后送往12位奇偶数据选择电路的输入端。如前所述,波形存储器的每个地址存放两个点的波形数据,在通过人机接口向波形存储器写入波形数据时,一个点的波形数据由每个地址中的奇数位数据构成,另外一个点的数据由偶数位构成,这样做的好处是每个采样时钟到来时,可同时读取2个波形点的数据,使得输出波形的最高频率增大了1倍,相当于采样时钟的频率提高了1倍,大大提高仪器性能。12位奇偶数据选择电路逻辑上等同于3片74F157。奇偶数据选择电路的输出端与D/A转换器的输入端相连,D/A转换器的作用是将从波形存储器中读取的数字信号转换为模拟信号,由于最高时钟频率为100MHz,所以D/A转换器选择速率为125百万次/秒的AD975。根据采样定律输出信号的基波频率将低于所用的参考时钟频率的一半,在本方案中采样时钟最高频率为100MHz,一个任意波形最少可由4个点构成,并且每个时钟周期读取两个波形数据,因此所输出的任意波形信号的最高频率为50MHz。上述电路中,15位同步二进制地址计数器、24位锁存器、12位奇偶数据选择电路及相关控制电路也可由高速CPLD实现。

二、滤波器设计

经过D/A转换后的信号通常含有较多的时钟成分及较为陡峭的跃变边缘,为了减少输出波形的抖动、抑制高次谐波,在任意波形发生器的设计中选择有效的滤波器就显得非常重要,高速任意波形发生器即能输出正弦波,又可输出三角波、锯齿波、脉冲波以及任意波型,因此要根据不同频段和波形来选择不同性能的滤波器,椭圆(EllipTIc)滤波器具有陡峭的过渡特性,适合用作正弦波的输出滤波器,三角波、锯齿波和任意波具有丰富的频谱,因此要求滤波器在通带范围内具有良好的幅频特性,以保证信号通过滤波器后即不产生失真,又能滤去杂散信号。椭圆滤波器对正弦波以外的其他波形会产生剧烈的振铃,而具有线形相位的高斯(Gaussian)滤波器可以满足这些要求,在本方案中由于任意波形发生器的采样时钟可变,因此它的低通滤波器的截止频率也必须变化,否则在有些频段就不起滤波作用,或者是在高频段有用信号会被衰减,为此本设计方案中采用截止频率为25MHz、50MHz的七阶椭圆滤波器以及截止频率为20MHz高斯滤波器,由单片机根据不同情况编程选择。图5给出了截止频率为50MHz的七阶椭圆滤波器以及截止频率为20MHz高斯滤波器的电路。

利用数字频率合成技术设计高速任意波形发生器(下)

三、GPIB接口设计

尽管目前在智能仪器中有许多新的接口标准,比如USB、LAN等,但是GPIB(General Purpose Interface Bus)接口仍然是业界公认的智能仪器标准接口,在本方案中采用GPIB接口由PC机向任意波形发生器下载数据,并可通过GPIB总线远程控制任意波形发生器,GPIB接口电路由采用NI公司的NAT7210GPIB专用集成电路和TI公司生产的GPIB总线驱动器SN75160以及SN75162构成,NAT7210输出的是标准的GPIB格式数据,符合IEEE488.2标准,GPIB总线驱动器的作用是增强接口的驱动能力。NAT7210与SN75160、SN75161以及单片机之间的连接方法参见文献。

四、高速任意波形发生器的软件设计

高速任意波形发生器的软件包括PC机部分的波形编辑及下载软件以及仪器内部的单片机控制软件两部分,波形编辑及下载软件具备各种任意波形编辑能力,例如直线编辑方式、曲线编辑方式、公式编辑方式、调制波形编辑方式。波形编辑及下载软件能够通过GPIB接口与任意波形发生器通信完成任意波形数据的下载及仪器的远程监控。仪器内部的单片机控制软件结构采用经典的主程序循环和中断服务模式,其流程图如图6所示。仪器加电后,首先进行自检和软、硬件的初始化,再进入主程序的循环,主程序的循环是等待中断处理的过程,它依据中断请求判断中断源,开中断并转向相应的中断处理子程序,完成对应操作或硬件控制。

利用数字频率合成技术设计高速任意波形发生器(下)

以上便是此次小编带来的“波形发生器”相关内容,通过本文,希望大家对讲解的内容具备一定的了解。如果你喜欢本文,不妨持续关注我们网站哦,小编将于后期带来更多精彩内容。

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