基于DSP的脈沖信號(hào)發(fā)生器

宋文愷

（武漢市江漢大學(xué)，湖北 武漢 430000）

基于DSP的脈沖信號(hào)發(fā)生器

宋文愷

（武漢市江漢大學(xué)，湖北 武漢 430000）

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器是電子通訊領(lǐng)域常用的且必不可少的儀器。電子電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，信號(hào)發(fā)生器在整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。本文研究了當(dāng)前的脈沖信號(hào)發(fā)射器系統(tǒng)的主流技術(shù)，綜合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際市場(chǎng)需求，以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心，將高集成度和高精密的數(shù)字頻率合成芯片與之結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種研發(fā)周期短、技術(shù)指標(biāo)過(guò)硬的脈沖信號(hào)發(fā)生器解決方案。

脈沖信號(hào)DSP數(shù)字頻率合成

1 緒論

脈沖是自然界中最常見(jiàn)的信號(hào)，無(wú)論是雷電還是蜘蛛的捕食活動(dòng)都包含了脈沖的信息。簡(jiǎn)單的事，脈沖指的是某一個(gè)物理信號(hào)經(jīng)過(guò)段時(shí)間的運(yùn)動(dòng)又回到原來(lái)的狀態(tài)的活動(dòng)，脈沖的形成也是多種多樣的，聲音信號(hào)、電流信號(hào)、煤氣燃燒等都具有脈沖信號(hào)的特性。在電子信息技術(shù)中，通常需要使用某種方法制造出脈沖信號(hào)，用來(lái)合成其他的信號(hào)源。

在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，都需要功率大小不等、頻率高低不等的脈沖信號(hào)發(fā)生器[1]。隨著數(shù)字電子技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)前脈沖信號(hào)發(fā)生器大多使用DSP技術(shù)結(jié)合DDS進(jìn)行信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)發(fā)。這種技術(shù)方案下的脈沖信號(hào)發(fā)生器穩(wěn)定性高，同時(shí)能達(dá)到很好的精度，可以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域的需求，特別是關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的通信、國(guó)防以及醫(yī)療等行業(yè)，基于DSP技術(shù)的脈沖信號(hào)發(fā)生器被廣泛使用。

2 脈沖信號(hào)發(fā)生器介紹

2.1 脈沖信號(hào)發(fā)生器的種類(lèi)

脈沖信號(hào)發(fā)生器是工業(yè)生產(chǎn)和科研中最常用的信號(hào)源儀器，其基本原理是依靠頻率合成，采用數(shù)字信號(hào)芯片產(chǎn)生不同頻率和幅值的信號(hào)。在電路的調(diào)試過(guò)程中，常用脈沖信號(hào)和正弦信號(hào)作為系統(tǒng)信號(hào)質(zhì)量評(píng)估的方式。常見(jiàn)的脈沖信號(hào)發(fā)生器，可以調(diào)節(jié)生成幅度、占空比、周期在某些范圍內(nèi)自由控制的脈沖信號(hào)[2]。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，脈沖信號(hào)發(fā)生器的生產(chǎn)和制作工藝、精度都越來(lái)越高，根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi)方式多種多樣，但是最基本的分類(lèi)方式主要有以下三種:

（1）根據(jù)脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)不同，可以將其劃分為邏輯源和混合源兩種。

（2）脈沖信號(hào)發(fā)生器的觸發(fā)方式有內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種，按照這個(gè)區(qū)別，將其分為內(nèi)/外觸發(fā)型脈沖信號(hào)發(fā)生器。

（3）根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，脈沖信號(hào)發(fā)生器的功率是不同的，依據(jù)功率大小的差異，將信號(hào)發(fā)生器分為小功率和大功率兩種。

當(dāng)然，在其他的使用條件或者生產(chǎn)技術(shù)中，脈沖信號(hào)發(fā)生器的分類(lèi)還有很多種，這里不做探討。

2.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

因?yàn)槊}沖信號(hào)發(fā)生器巨大的科研價(jià)值和市場(chǎng)需求，國(guó)外有大量的企業(yè)和機(jī)構(gòu)很早便投入了對(duì)它的研發(fā)并取得和一系列成果。美國(guó)的惠普公司生產(chǎn)的HP8116A脈沖信號(hào)發(fā)生器在技術(shù)上較為領(lǐng)先，市場(chǎng)地位穩(wěn)固。GLOBAL SPECIALTIES研發(fā)的4001系列，是一種應(yīng)用也十分廣泛的可控脈沖信號(hào)發(fā)生器[3]。

圖1 國(guó)外研發(fā)的知名脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品

國(guó)內(nèi)知名的脈沖信號(hào)發(fā)生器廠家中，AFG3000系列任意函數(shù)發(fā)生器是西域科技研發(fā)生產(chǎn)的，跟它類(lèi)似的產(chǎn)品有嘉兆公司研發(fā)的Wonder Wave系列產(chǎn)品。此外，較為知名的脈沖發(fā)生器廠家還有南峰公司和寧波中策公司。

圖2 國(guó)內(nèi)研發(fā)的知名脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品

3 脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案

3.1 總體設(shè)計(jì)方案

DSP技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理中因其高速的處理器和內(nèi)部強(qiáng)大的硬件乘法器、DMA控制器等資源而廣泛使用。在信號(hào)發(fā)生器研發(fā)領(lǐng)域，DSP芯片和數(shù)字頻率合成技術(shù)的配合，使得數(shù)字信號(hào)生成的精度、速度不斷提高，而研發(fā)難度卻在降低[6]。

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)在的技術(shù)手段，采用DSP+DDS芯片的設(shè)計(jì)方案，可以短期內(nèi)開(kāi)發(fā)出性能卓越的脈沖信號(hào)發(fā)生器[4]。本設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)綜合考量，結(jié)合實(shí)際情況而采用了DSP主控芯片結(jié)合DDS芯片作為信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的硬件其礎(chǔ)。

3.2 DSP芯片選型

TI公司推出的眾多DSP芯片中，TMS320系列擁有256MB的存儲(chǔ)空間，并且數(shù)據(jù)傳輸率最高可到923Mbps，可以勝任信號(hào)發(fā)生器中的高速任務(wù)處理。TMS320C6713片內(nèi)寄存器、鎖存器等資源豐富，配置靈活，可以依靠片內(nèi)的大量RAM資源達(dá)到高速的并行計(jì)算，可以在很低的成本下實(shí)現(xiàn)與DDS芯片的軟硬件匹配使用。

3.3 DDS芯片選型

DDS芯片是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的核心計(jì)算單元。由于對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)性和精度的高要求，選用了AD公司的具有兩路正交D/A轉(zhuǎn)換器的AD9854芯片產(chǎn)品，能高效率的將頻率合成輸出。AD9854可以輸出高達(dá)150MHz的數(shù)字FM信號(hào)，能夠輸出高質(zhì)量的正弦信號(hào)、PSK、FSK、CHIRP信號(hào)等，滿(mǎn)足脈沖信號(hào)發(fā)生器的研發(fā)需求[5]。

4 脈沖信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

基于DSP和DDS的信號(hào)發(fā)生器，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，研發(fā)周期可以大大縮短，核心模塊主要包含:信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換模塊、DSP主控單元模塊、USB數(shù)據(jù)傳輸模塊、脈沖信號(hào)生成單元模塊。

圖3 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

下面主要介紹脈沖信號(hào)發(fā)生器的核心單元的設(shè)計(jì)規(guī)則。

4.1 頻率合成芯片使用

AD9854接口具有并行和穿行兩種工作方式。采用并行Parallel傳輸方式的效果是信號(hào)速率快，但是設(shè)計(jì)使用較為繁瑣，如果采用串行GPIF模式，信號(hào)帶寬會(huì)有所降低，但是這種方式下硬件連接和設(shè)計(jì)都比較簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)時(shí)候可以依據(jù)需求自由配置。當(dāng)DDS芯片AD9854的S/P引腳被拉低時(shí)，硬件將會(huì)選擇串行的GPIF模式工作；相反的情況下，芯片被選中工作在并行數(shù)據(jù)傳輸模式下，此時(shí)地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)的數(shù)量都比串行方式多，工作效率相應(yīng)的提高了很多。在這種模式下，DDS芯片的能以100MHz的工作頻率進(jìn)行雙向傳輸。

4.2 DSP與DDS的連接

在高速信號(hào)處理過(guò)程中，信號(hào)的傳輸質(zhì)量始終關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。采用高速差分信號(hào)傳輸，是一種抗共模干擾能力很強(qiáng)的新型數(shù)據(jù)傳輸方案。LVDS是滿(mǎn)足DDS和DSP之間高速高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)某Ｒ?jiàn)的差分接口，在脈沖信號(hào)發(fā)生器中使用能夠?qū)π盘?hào)的質(zhì)量起到很好的保護(hù)作用。圖4是DSP與DDS芯片的接口設(shè)計(jì)圖，其中使用了LVDS的模數(shù)轉(zhuǎn)化器。LVDS規(guī)定了驅(qū)動(dòng)器和接收器的電氣特性。使用LVDS的模數(shù)轉(zhuǎn)化器，不僅可以保證其高性能的轉(zhuǎn)化，并且能夠?qū)崿F(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，這是決定脈沖信號(hào)發(fā)生器的關(guān)鍵因素。

圖4 DSP與DDS芯片的接口設(shè)計(jì)圖

4.3 電源管理電路設(shè)計(jì)

數(shù)字電路的穩(wěn)定工作需要考慮很多的系統(tǒng)內(nèi)干擾，而電源管理在數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中起到了尤為重要的作用。特別是信號(hào)發(fā)生器中，需要對(duì)不同的芯片供電進(jìn)行隔離和邏輯判斷。采用TI公司的高效LDO電源管理芯片是一個(gè)合理的解決方案。通過(guò)主電源分離除不同的端口，驅(qū)動(dòng)對(duì)用的電源芯片，設(shè)置不同的電源引腳，分別提供給DSP芯片、DDS芯片、USB芯片等工作[7]。這樣不僅隔離了不同電壓的需求，互不干擾，同時(shí)不影響信號(hào)的高質(zhì)量傳輸。

圖5 電源管理電路設(shè)計(jì)圖

5 脈沖信號(hào)發(fā)生器功能驗(yàn)證

下面是對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)生器的性能檢驗(yàn)過(guò)程，具體的實(shí)施步驟為，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的幅值和頻率，固定為3V/2MHz，便于對(duì)信號(hào)的質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。信號(hào)波形設(shè)定為依次鋸齒波、三角波、方波和指數(shù)波[8]。分別得到各種不同信號(hào)源測(cè)試情況下的輸出波形，將信號(hào)存儲(chǔ)并傳輸至計(jì)算機(jī)級(jí)逆行分析，對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)生器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。從得到的結(jié)果來(lái)看，對(duì)鋸齒上升沿信號(hào)的處理優(yōu)于下降沿，下降沿信號(hào)出現(xiàn)了顯著的過(guò)沖，對(duì)三角波信號(hào)的處理比較令人滿(mǎn)意，上升沿指數(shù)波的波形也基本達(dá)標(biāo)，而方波則出現(xiàn)了較為明顯的振鈴現(xiàn)象。

圖6 信號(hào)發(fā)生器波形輸出圖

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)，本脈沖信號(hào)發(fā)生器基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的初衷，但是在某些環(huán)境下，還存在有亟需解決的問(wèn)題。在下一個(gè)階段的工作中，信號(hào)的振鈴振蕩和過(guò)沖問(wèn)題需要通過(guò)算法的優(yōu)化，增加合適的濾波器進(jìn)行糾正。同時(shí)，這些算法要保證對(duì)正常脈沖信號(hào)發(fā)生的隔離，而不能造成信號(hào)質(zhì)量的下降。

[1]梁睿.基于DSP和DDS的信號(hào)發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)及可靠性研究[D].武漢理工大學(xué),2012.

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