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基于FPGA的低成本虚拟测量系统实现

4.2.5 波形存储器的设计 ................................................................................. 54 4.3 任意波形调制器的研究 ................................................................................... 56

4.3.1 幅度调制 ................................................................................................. 57 4.3.2 频率调制 ................................................................................................. 58 4.3.3 数字调制 ................................................................................................. 59 4.4 相位抖动注入技术的研究 ............................................................................... 60 第五章 任意波形发生器的软件设计 ..................................... 61

5.1 系统软件结构 ................................................................................................... 61 5.2 固件程序设计 ................................................................................................... 61

5.2.1 功能分析 ................................................................................................. 62 5.2.2 固件程序结构 ......................................................................................... 62 5.2.3 固件程序开发 ......................................................................................... 63 5.3 USB设备驱动程序 ........................................................................................... 64

5.3.1 驱动程序的实现 ..................................................................................... 64 5.3.2 USB设备的访问 ..................................................................................... 65 5.4 用户应用程序 ................................................................................................... 65

5.4.1 开发平台LabWindows/CVI .................................................................. 66 5.4.2 任意波形发生器软件界面 ..................................................................... 66 5.4.3 波形数据的产生 ..................................................................................... 67 5.4.4 参数提取和数据发送 ............................................................................. 70 第六章 系统性能测试 ................................................. 73 第七章 结论与展望 ................................................... 77 致谢 ................................................................ 79 参考文献 ............................................................ 81 研究成果 ............................................................ 83

第一章 绪论

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第一章 绪论

1.1 引言

在电子技术领域，常需要波形、频率、幅度都可调节的电信号，用于产生这种电信号的电子测量仪器称作信号发生器。

信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。 从本质上看，测量是一个将客观物理量转换成测试信息量的变换过程[1]。当测试对象为系统性能参数时，通常采用如下测量方法：在测试系统中，系统参数的测量基于输入激励和输出响应的对应关系，这种方法被称作“激励—响应”法[1]，如图1.1所示。

激励信号源输入激励被测对象输出响应响应信号分析 图1.1 参数测量系统模型框图

采用“激励—响应”方法进行系统参数测量时，需要产生已知的激励信号输入到被测系统，系统对激励信号输出相应的响应信号，通过对该响应的测定和分析找出被测系统的输入—输出关系，从而定义系统的性能。由此我们可以看出，高质量激励信号的产生是系统参数测量中一个重要的环节，标准理想的输入激励是整个测试系统正确工作的基础，它从根本上影响测量系统的性能。

自从上世纪40年代惠普为美国海军实验室开发出第一台信号发生开始，信号发生器一直随着电子技术、半导电技术和计算技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。从技术上看，信号发生器经历了由模拟信号发生器、数字信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程。发展到今天，信号发生器的种类已经多种多样，包括正弦信号发生器、脉冲发生器、函数发生器、扫描发生器、任意波形发生器等。按照应用范围又可分为专用信号发生器和通用信号发生器[2]。

传统的信号发生器一般基于模拟技术。它首先生成一定频率的正弦信号，然后再对这个正弦信号进行处理，从而输出其他波形信号（例如通过比较器可以输出方波信号，对方波信号通过积分器可以生成三角波信号等）。这种方法的关键在于如何生成特定频率的正弦信号。早期的信号发生器大都采用谐振法，后来出现采用锁相环等频率合成技术的信号发生器。但基于模拟技术的传统信号发生器能

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基于FPGA的任意波形发生器的设计与实现

生成的信号类型比较有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少数的规则波形信号。如果需要生成较复杂的波形信号，电路的复杂度及设计难度都将大大增加。

随着科学实验研究需求的不断发展，传统的信号发生器在一些特定的场合已经不能满足要求，因为在许多应用研究领域，不但需要一些规则的信号，同时还需要一些不规则信号用于系统特性的研究，如某些电子设备的性能指标测试、系统中各种瞬变波形和电子设备中出现的各种干扰的模拟研究，就需要一些能提供一些非常规测试信号甚至是任意信号的信号源，即能产生现场所需波形的任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）。

任意波形发生器是现代电子测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，它的功能远比函数发生器强，可以产生各种理想及非理想的波形信号，对存在的各种波形都可以模拟，广泛应用于测试、通信、雷达、导航、宇航等领域。

1.2 任意波形发生器的功能

任意波形发生器既具有其他信号源的信号生成能力，又可以通过各种编辑手段生成任意的波形采样数据，方便地合成其他信号源所不能生成的任意波形，从而满足测试和仿真实验的要求。任意波形发生器的主要功能[3]包括：

（1）函数发生功能

基础实验中，为了验证电路功能、稳定性和可靠性，需要给它施加理想波形，任意波形发生器能替代函数发生器提供正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形，还具有各种调制和扫频能力。利用任意波形发生器的这一基础功能就能满足一般实验的信号需求。

（2）任意波形生成

运行在实际电子环境中的设备，由于各种干扰的存在以及环境的变化，实际电路中往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等。任意波形发生器可以模拟这些特殊信号，以测试系统的实际性能。

（3）信号还原功能

在一些军事、航空等领域，有些电路运行环境很难估计，在设计完成之后，在现实环境中还需要更进一步的实验验证，而有些实验的成本很高或者风险性很大（如飞机试飞时发动机的运行情况），人们不可能重复作实验来判断所设计产品的可行性和稳定性。此时，可以利用任意波形发生器的信号还原功能。在做一些高耗费、高风险实验时，可以通过数字示波器把实际中用到的实际波形记录下来，再通过计算机接口下载到任意波形发生器，通过任意波形发生器还原实验中的实际波形并加到设计电路中，做进一步的实验验证工作。

第一章 绪论

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1.3 国内外发展现状

采用可变时钟和计数器寻址波形存储器的任意波形发生器在一段时期内曾得到广泛的应用，其取样时钟频率较高且可调节，但其对硬件要求比较高，需要高性能的锁相环和截止频率可调的低通滤波器（或者多个低通滤波器），且频率分辨率低，频率切换速度较慢，已经逐步退出市场。

目前市场上的任意波形发生器主要采用直接数字合成（Direct Digital Synthesuzer，DDS）技术，这种波形发生器不仅可以产生可变频的载频信号、各种调制信号，同时还能和计算机配合产生用户自定义的有限带宽的任意信号，可以为多种领域的测试提供宽带宽、高分辨率的测试信号。

任意波形发生器发展到今天，从产品结构形式来划分，主要包含三种： （1）独立仪器结构形式

独立仪器结构形式是把任意波形发生器设计成单台仪器的形式，其优点是精度高，可独立工作。

（2）PC总线式

PC（Personal Computer）总线式是将任意波形发生器板卡直接插在PC机的总线扩展槽或通过外部接口连接到PC总线上，利用PC机来控制任意波形发生器的工作状态，其优点是可以充分利用PC机的软硬件资源，在波形数据处理、波形参数修改方面，计算机有明显的优势。

（3）VXI模块式

VXI模块是一种新型的模块化仪器，它必须插在VXI总线机箱上才能使用，VXI总线机箱通过GPIB或者RS-232C等接口与计算机相连，VXI模块仪器对组成自动测试系统特别有用，各个公司的VXI卡式仪器模块可以自由组合使用。

从发展状况来看，国外任意波形发生器的研制及生产技术已经较为成熟。以安捷伦（Agilent）和泰克（Tektronix）为代表的国际电子测量仪器公司在此领域进行了卓有成效的研究和开发，其产品无论在技术上还是市场占有率方面在国际上都享有盛誉，但其价格也是相当昂贵，高端型号每台价格都在几万美金左右，低端的也要几万人民币。Tektronix公司的独立结构任意波形发生器AFG3000系列功能完善，人机界面友好，操作方便，可以以多种方式连接到PC机上，其最高采样率能达到2GS/s，输出信号最高频率为240MHz，任意波频率50MHz，并配备的强大的波形编辑软件ArbExpress，用户可以方面地创建和编辑自己的波形。Agilent公司的PXI模块任意波形发生器采样率已经能达到1.25GS/s，最高输出频率500MHz。我国研制任意波形发生器是从上世纪90年代开始的，近年来有一批本土厂商奋起直追，并取得了可喜的成果。例如南京盛普科技电子有限公司的

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基于FPGA的任意波形发生器的设计与实现

SPF120型信号发生器的主波输出频率达到了120MHz，任意波最高频率为100KHz；北京普源精电科技有限公司（RIGOL）生产的DG1000/2000/3000系列任意波形发生器，在性能上已经大略相当于国外中低端产品。

1.4 课题研究目标

从国内已有的成熟的任意波形发生器产品来看，无论是从种类、性能还是生产规模上均与国外同类产品存在较大差距。因此，加紧任意波形发生器相关技术的研究仍然非常必要，对发展我国电子行业也有着非常重要的影响，并且具有广阔的发展前景，若能与国外同类产品保持在性价比上的优势，将可以打破国外的技术和市场垄断地位。

如何降低任意波形发生器的成本，并提高其性能指标是本课题研究的重点。本课题结合DDS技术、虚拟仪器技术、USB2.0总线接口技术，并借助FPGA可编程逻辑实现一款低成本、便携式、可扩展的虚拟任意波形发生器。在学习、借鉴国外先进技术的同时，研究、掌握利用DDS技术实现的任意波形发生器的基本组成和关键技术，为研制高性能多通道任意波形发生器打下坚实的基础，为早日实现国产任意波形发生器达到世界先进水平而努力。

本课题研究的任意波形发生器主要有以下性能指标：

（1） 通道数：2个，一个作为输出通道，一个作为外输入调制通道； （2） 输出波形：正弦波、占空比可调方波、三角波、锯齿波、噪声以及用户

自定义波形；

（3） 调制性能：调幅、调频、幅移键控、频移键控、相移键控； （4） 波形容量：4K； （5） 幅值分辨率：10bits； （6） 频率分辩率：0.05Hz；

（7） 频率范围：正弦波，0.05Hz~50MHz，任意波0.05Hz~5MHz； （8） 负载能力：50Ω±10%； （9） 幅度范围：-3V~+3V； （10）偏置范围：-1.4V~+1.4V； （11）频率准确度：≤±0.1%

在功能上，该虚拟信号发生器可以作为函数信号发生器、任意波形发生器、噪声信号发生器使用，具有良好的人机界面，能够产生各种常规波形，还能产生由用户生成的任意波形。