多通道模数匹配任意波形产生系统的设计与实现

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随着电子系统所需要的激励信号日趋多样化和复杂化,产生特定波形的信号发生器往往难以满足研发和测试需求,而任意波形产生系统(Arbitrary Waveform Generator,AWG)因其高度的灵活性和可以产生任意复杂波形的优点越来越受到工程技术人员的青睐。目前,以Agilent(安捷伦)、Tektronix(泰克)和RIGOL(北京普源精电)为代表的国内外仪器生产商都在加大投入AWG的研发,并开发出了相应产品。但是这些产品普遍存在价格高、输出通道少、仅提供模拟输出等缺点,从而限制了AWG的应用。  本文以现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)器件为核心配合D/A转换电路和电平转换电路实现了10通道任意模拟波形产生模块,64通道任意数字序列产生模块以及任意模数通道的同步模块。系统的绝大多数设计都采用Verilog硬件描述语言在FPGA内部实现,从而减少系统整体硬件的体积和复杂度,所做的工作如下:  (1)以直接数字合成(Direct Digital Synthesis,DDS)技术为基础,通过对比分析DDS技术的两种结构——直接数字波形合成(Direct Digital Wave Synthesis,DDWS)和直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis,DDFS)的优缺点,整合两种结构的优点,实现了产生任意模拟波形的功能设计。而对于任意数字序列的产生,主要通过产生高精度的时间信号,控制数字通道使其输出信号可在一定时间内的任意时刻进行跳变,从而实现满足任意时序的数字序列的产生。  (2)制定了系统和PC端上位机通信的协议,并在FPGA内部设计了数据帧解析电路,使得各通道控制电路可以准确获取本通道的数据。同时还在FPGA内部设计了任意模数通道的同步控制电路。  (3)给出了系统各功能模块的测试方案,从测试结果可以看出,10个模拟通道都能产生正弦波、三角波、方波等常规波形,还能产生通过PC机上的波形编辑工具绘制的任意波形,而64个数字通道也可产生任意时序,任意模拟通道和数字通道可以产生任意关联的模数混合信号,目标功能基本实现,运行状态比较稳定。
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