專利名稱：一種多通道相位可調的信號發生器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及高速波形合成技術領域,具體來講,涉及一種基于DDS (DirectDigital Frequency Synthesis)的高速波形發生器。
背景技術：
波形發生器是廣泛應用于電子測量、通信、雷達、科學實驗等領域的信號源，從某種程度上來說，高質量的信號源是實現高性能指標的關鍵。在很多現代電子系統、通信設備或測量系統中都應用了高性能的信號發生源來提供高質量的信號，因此在現代社會中高品質的信號發生裝置已經成為必不可少的電子系統。傳統的波形發生器，輸出頻率頻段范圍窄，輸出波形單一，輸出頻率不穩定。實際應用中，有時需要波形發生器的輸出頻率捷變，頻段范圍盡量寬，并要能夠實現多通道輸出，這對多通道系統(相控超聲系統，多激勵源電阻抗成像系統等)是非常重要的，并且多通道輸出要同步，還要保持一定的相位關系。傳統的波形發生器對由模擬處理或者PCB布線失配而產生的外部信號通道的不均衡、不同芯片間延時時間的差異所引起的輸出信號的相位差沒有考慮。基于DDS (Direct Digital Frequency Synthesis, DDS)波形合成技術的波形發生器，從相位概念出發，由不同的相位給出不同的電壓幅度，即相位-幅度變化，最后濾波，平滑輸出所需的頻率。波形合成模塊主要由相位累加器、波形查找表、數模轉換器和低通濾波器組成，具有輸出波形種類多，頻率分辨率高，頻率切換快，相位連續變化，集成度高，體積小，質量輕等優點。隨著VLSI技術的發展，DDS的集成度越來越高，在一塊芯片上就可以實現其全部功能，這是PLL等頻率合成方式難以企及的，這些特征使得它在雷達、導航等無線通信領域得到了廣泛的應用。AD9959是ADI公司2005年推出的業界唯一一款多通道高速直接數字頻率合成器。該芯片內部集成了四個DDS核，因此可對內部的四個輸出通道獨立進行編程。通過一個公用系統時鐘在芯片內部同步各個獨立的通道，AD9959可以對由于模擬處理或者PCB布線失配而產生的外部信號通道的不均衡進行有效的校正，從而使系統工程師用相當少的時間和精力去處理這個通常很復雜的系統設計問題。USB是一種高效、快速、價格低廉、體積小和支持熱插拔的新型串行通信接口。其支持多個外部設備的連接和通信，并且即插即用的特點可以使用戶在不重新啟動計算機的情況下直接將USB外部設備連接到計算機并開始通信。USB規范為計算機和外部設備之間的通信提供了一套完整的解決方案。目前采用DDS技術實現任意波形信號發生器的方法一般有兩種，一是在電路上集成現成的DDS芯片來實現，即集成解決方案；二是在現場可編程門陣列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)內部用硬件代碼來實現DDS功能，即FPGA解決方案。前者接口與控制方式簡單，易于開發；后者邏輯實現復雜。前者內部集成DAC，后者外部擴展DAC，實現較前者復雜，集成度不如前者高。前者穩定性和可靠性比較高；后者內部邏輯 設計在流水線處理時容易出現不嚴謹的邏輯，從而影響可靠性。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種高精度、快切換速度、全數字化的基于USB和AD9959的多通道同步的電路結構簡單，應用價值高的波形發生器。為達到上述目的，本實用新型的基于USB和AD9959的波形發生器可以通過以下技術方案來實現:本實用新型提供的一種多通道相位可調的信號發生器包括遠程PC機顯示與控制模塊、時鐘管理模塊、USB接口與控制模塊、DDS集成模塊、低通濾波器模塊、波形合成電路模塊；所述的時鐘管理模塊與USB接口與控制模塊、DDS集成模塊連接；遠程PC機顯示與控制模塊與USB接口與控制模塊中的上位機USB接口連接；USB接口與控制模塊中的8051內核與通用可編程接口連接；USB接口與控制模塊中的USB收發器與智能USB SIE模塊連接；USB接口與控制模塊中的通用可編程接口與DDS集成模塊中的相位、幅度、頻率控制器連接；DDS集成模塊中的DAC與低通濾波器模塊連接；低通濾波器模塊與波形合成電路模塊連接。其中，時鐘管理模塊產生高頻高穩時鐘源信號，作為該波形發生器的時鐘信號；遠程PC機通過USB總線實現頻率、相位、幅度、占空比的設置與工作方式的轉換；相位、幅度、頻率控制器控制DDS核產生對應信號波形的數字序列，由數模轉換器將其轉換為階梯模擬電壓波形，最后由具有內插作用的低通濾波器LPF將其平滑為連續的正弦波形作為輸出；輸出的正弦波通過比較器電路和邏輯電路產生方波，方波通過積分器產生三角波或鋸齒波。所述的USB接口與控制模塊模塊還包括USB芯片電源、USB時鐘單元、USB存儲單元、USB控制單元、上位機USB接口和傳輸電纜接口。其中，USB芯片電源與USB通信芯片相連并提供工作電壓和時鐘信號;USB通信芯片內設有USB協議和指令集；USB存儲單元內設有用于設置的串口引擎和緩沖區工作方式、設置端點的類型大小、設置標志位所代表的意義、設置每個端點的緩沖區大小和層數的USB配置程序。四通道的DDS信號產生單元，每個通道的DDS信號產生單元包括相位累加器、相位加法器、波形查找表和數模轉換器；每個通道的DDS信號產生單元中的相位累加器、相位加法器位數相同，能夠分別輸入相同和不同的相位控制字。相位累加器在N位頻率控制字FCW(Frequency Control Word)的控制下，以參考時鐘頻率f為采樣率，產生待合成信號的數字線性相位序列，將其高P位作為地址碼通過正弦查詢表R0M(Read Only Memory)變換，產生D位對應信號波形的數字序列S(n)，再由數模轉換器將其轉換為階梯模擬電壓波形S(t)，最后由具有內插作用的低通濾波器LPF將其平滑為連續的正弦波形作為輸出。各個通道的DDS信號產生單元輸出的波形信號構成具有指定相位差的波形信號。所述的波形發生器輸出廣4路頻率、相位差、占空比可調的正弦波信號，輸出廣2路頻率、相位差占空比可調的方波、三角波和鋸齒波信號。所述的波形發生器中的波形合成電路采用的是比較器芯片，該比較器芯片對數字頻率發生模塊輸出的正弦波信號進行過零檢測輸出數字方波信號，對其進行邏輯運算產生頻率、占空比、相位差可調的方波信號，然后將方波信號經過積分電路產生頻率、占空比、相位差可調的三角波和鋸齒波信號。[0017]所述的波形發生器主要采用AD9959多通道DDS同步特性和USB控制器，實現在線可編程產生頻率、相位差、占空比等可調的高精度正弦波、方波、三角波和鋸齒波等功能，解決一般信號發生器沒有實現的多路輸出，輸出相位差不可調及輸出頻率低的問題。
此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本實用新型的限定。在附圖中，圖1是本實用新型實例中波形發生器的結構示意圖。圖2是本實用新型實例中USB控制器的原理示意圖。圖3是本實用新型實例中DDS集成模塊的原理示意圖。圖4是本實用新型實例中波形合成模塊的原理示意圖。圖5是本實用新型實例中USB中斷函數的程序流程圖。
具體實施方式
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以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型進行詳細描述:本實用新型中波形發生器的結構示意圖如圖1所示，一種多通道相位可調的信號發生器包括遠程PC機顯示與控制模塊、時鐘管理模塊、USB接口與控制模塊、DDS集成模塊、低通濾波器模塊、波形合成電路模塊；所述的時鐘管理模塊與USB接口與控制模塊、DDS集成模塊連接；遠程PC機顯示與控制模塊與USB接口與控制模塊中的上位機USB接口連接；USB接口與控制模塊中的8051內核與通用可編程接口連接；USB接口與控制模塊中的USB收發器與智能USB SIE模塊連接；USB接口與控制模塊中的通用可編程接口與DDS集成模塊中的相位、幅度、頻率控制器連接；DDS集成模塊中的DAC與低通濾波器模塊連接；低通濾波器模塊與波形合成電路模塊連接。其中，時鐘管理模塊產生高頻高穩時鐘源信號，作為該波形發生器的時鐘信號；遠程PC機通過USB總線實現頻率、相位、幅度、占空比的設置與工作方式的轉換；相位、幅度、頻率控制器控制DDS核產生對應信號波形的數字序列，由數模轉換器將其轉換為階梯模擬電壓波形，最后由具有內插作用的低通濾波器LPF將其平滑為連續的正弦波形作為輸出；輸出的正弦波通過比較器電路和邏輯電路產生方波，方波通過積分器產生三角波和鋸齒波。DDS集成模塊是整個波形發生器的核心，而USB接口與控制模塊實現整個系統的邏輯控制功能。遠程PC機實現用戶遠程需求參數的輸入以及波形特征結果的顯示。PC的用戶應用程序發出接收數據的請求，響應設備發出響應決定是否開始傳輸數據。當系統上電后，系統自動識別設備后加載驅動程序，USB控制器的固件程序通過USB電纜從主機自動下載到其內部程序RAM中，計算機可以通過用戶軟件取得系統的各種配置信息。USB控制器的原理示意圖如圖2所示，PC的用戶應用程序發出接收數據的請求，響應設備發出響應決定是否開始傳輸數據。當系統上電后，系統自動識別設備后加載驅動程序，USB控制器的固件程序通過USB電纜從主機自動下載到其內部程序RAM中，計算機可以通過用戶軟件取得系統的各種配置信息。USB控制器以GPIF (GeneralProgrammable Interface,通用可編程接口)模式控制數據采集和讀取，串行接口引擎(SIE)負責完成獨立串行數據的編解碼、差錯控制、位填充等與USB協議有關的功能，它把嵌入式MCU解放出來，使得開發者沒有必要研究復雜的USB傳輸協議，從而專注于接口設計，大大簡化了固件代碼的開發，縮短了開發時間。USB接口和外圍電路直接共享FIFO存儲器，這時增強型8501可不參與數據傳輸，但可以通過FIFO或RAM的方式訪問所傳輸的數據，另外，FIFO與USB之間的傳輸是以數據包的形式實現的，并不是一次只傳輸I個字節。這種處理結構被稱為〃量子FIFO〃，它很好地解決了 USB高速模式下的寬帶問題。USB接口與控制模塊包括USB芯片電源、USB時鐘單元、USB通信芯片和USB存儲單元。其中，USB芯片電源和USB時鐘單元分別與USB通信芯片相連并提供工作電壓和時鐘信號；USB通信芯片內設有USB協議和指令集；USB存儲單元內設有用于設置的串口引擎和緩沖區工作方式、設置端點的類型大小、設置標志位所代表的意義、設置每個端點的緩沖區大小和層數的USB配置程序。DDS集成模塊的原理示意圖如圖3所示，USB接口與控制模塊中的GPIF通用可編程接口和Cypress智能SIE控制DDS集成模塊中的相位、幅度、頻率控制器，四通道的DDS信號產生單元，每個通道的DDS信號產生單元包括相位累加器、相位加法器、波形查找表和數模轉換器；每個通道的DDS信號產生單元中的相位累加器、相位加法器位數相同，能夠分別輸入相同和不同的相位控制字。相位累加器在N位頻率控制字FCW(FrequenCy ControlWord)的控制下，以參考時鐘頻率f為采樣率，產生待合成信號的數字線性相位序列，將其高P位作為地址碼通過正弦查詢表ROM (Read Only Memory)變換，產生D位對應信號波形的數字序列S (η)，再由數模轉換器將其轉換為階梯模擬電壓波形S (t)，最后由具有內插作用的低通濾波器LPF將其平滑為連續的正弦波形作為輸出。各個通道的DDS信號產生單元輸出的波形信號構成具有指定相位差的波形信號。波形合成電路如圖4所示，該電路采用的是比較器芯片，該比較器芯片對數字頻率發生模塊輸出的正弦波信號進行過零檢測輸出數字方波信號，對其進行邏輯運算產生頻率、占空比、相位差可調的方波信號，然后將方波信號經過積分電路產生頻率、占空比、相位差可調的三角波和鋸齒波信號。本實施實例通過以下方式進行通信:第一步，DDS驅動器連接到電腦時，向電腦提供所必須的信息，待上位機識別USB設備。第二步，上位機根據通信協議向下端傳輸通信報文，內容主要包括:上位機實時監控DDS運行狀態，如連接情況，使能情況等；上位機與DDS驅動器之間上傳、下載、保存DDS參數；上位機實時發送控制命令，改變工作方式、狀態等。第三步，USB接口與控制模塊解析標準USB形式的通信報文，向數字信號處理模塊發出中斷請求。第四步，數字信號處理模塊執行中斷程序，中斷程序按照通信協議對通信報文做相應的處理。中斷函數中的程序流程圖如圖5所示:(I)當通信報文到來觸發中斷后，控制器單元會一直接收通信報文，直至全部接受完畢。(2)通信報文全部接收完畢后會放入數據緩沖區，然后開始對報文進行解析。(3)報文報頭為報文的第一個8位數據，當它不符合通信協議，則報錯退出中斷。(4)隨后會判斷報文的報文類型，報文按功能不同，分為參數更新、DDS命令、請求DDS單元返回參數三類:a.當上位機傳來的報文為DDS參數更新，則把DDS集成模塊中各通道相位、頻率、調制方式、幅值等參數更新為報文中的參數值。b.當上位機傳來的報文為DDS命令，則判斷是哪種DDS命令，當為連接命令，則DDS驅動會回傳一個握手信號表明USB通信系統連接成功；當為DDS使能命令時，則置DDS驅動器的寄存器使能位，使DDS進入待運行的狀態。當為DDS關閉命令時，則關閉DDS寄存器使能位。c.當上位機傳來的報文為請求DDS放回參數,則DDS驅動器會回傳響應參數，回傳完畢后，退出中斷。第五步，USB接口與控制模塊將通信報文封裝成標準USB形式，回傳給上位機。盡管上面對本實用新型說明性的具體實施方式
進行了描述，以便于本技術領域的技術人員理解本實用新型，但應當清楚，本實用新型不限于具體實施方式
的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定范圍內，這些變化時顯而易見的，一切利用本實用新型構思的實用新型創造均在保護之列。
權利要求1.一種多通道相位可調的信號發生器，其特征在于:包括遠程PC機顯示與控制模塊、時鐘管理模塊、USB接口與控制模塊、DDS集成模塊、低通濾波器模塊、波形合成電路模塊；所述的時鐘管理模塊與USB接口與控制模塊、DDS集成模塊連接；遠程PC機顯示與控制模塊與USB接口與控制模塊中的上位機USB接口連接；USB接口與控制模塊中的8051內核與通用可編程接口連接；USB接口與控制模塊中的USB收發器與智能USB SIE模塊連接；USB接口與控制模塊中的通用可編程接口和智能USB SIE與DDS集成模塊中的相位、幅度、頻率控制器連接；DDS集成模塊中的DAC與低通濾波器模塊連接；低通濾波器模塊與波形合成電路模塊連接；其中，時鐘管理模塊產生高頻高穩時鐘源信號，作為該波形發生器的時鐘信號；遠程PC機通過USB總線實現頻率、相位、幅度、占空比的設置與工作方式的轉換；相位、幅度、頻率控制器控制DDS核產生對應信號波形的數字序列，由數模轉換器將其轉換為階梯模擬電壓波形，最后低通濾波器將其平滑為連續的正弦波形作為輸出；輸出的正弦波通過比較器電路和邏輯電路產生方波，方波通過積分器產生三角波或鋸齒波。
2.根據權利要求1所述的一種多通道相位可調的信號發生器，其特征在于:所述的USB接口與控制模塊還包括USB芯片電源、USB通信芯片、USB存儲單元、USB控制單元、上位機USB接口和傳輸電纜接口。
專利摘要一種多通道相位可調的信號發生器包括遠程PC機顯示與控制模塊、時鐘管理模塊、USB接口與控制模塊、DDS集成模塊、低通濾波器模塊、波形合成電路模塊；所述的時鐘管理模塊與USB接口與控制模塊、DDS集成模塊連接；遠程PC機顯示與控制模塊與USB接口與控制模塊中的上位機USB接口連接；USB接口與控制模塊中的8051內核與通用可編程接口連接；USB接口與控制模塊中的USB收發器與智能USB SIE模塊連接；USB接口與控制模塊中的通用可編程接口和DDS集成模塊中的相位、幅度、頻率控制器連接；DDS集成模塊中的DAC與低通濾波器模塊連接；低通濾波器模塊與波形合成電路模塊連接。該裝置輸出頻段范圍寬，輸出波形多樣化，輸出頻率穩定且捷變，輸出通道多。
文檔編號G06F1/03GK202929519SQ20122049943
公開日2013年5月8日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者張一鳴, 馮金蘭, 王旭紅, 劉燕楠, 胡科堂 申請人:北京工業大學