专利名称：一种多通道相位可调的信号发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高速波形合成技术领域,具体来讲,涉及一种基于DDS (DirectDigital Frequency Synthesis)的高速波形发生器。
背景技术：
波形发生器是广泛应用于电子测量、通信、雷达、科学实验等领域的信号源，从某种程度上来说，高质量的信号源是实现高性能指标的关键。在很多现代电子系统、通信设备或测量系统中都应用了高性能的信号发生源来提供高质量的信号，因此在现代社会中高品质的信号发生装置已经成为必不可少的电子系统。传统的波形发生器，输出频率频段范围窄，输出波形单一，输出频率不稳定。实际应用中，有时需要波形发生器的输出频率捷变，频段范围尽量宽，并要能够实现多通道输出，这对多通道系统(相控超声系统，多激励源电阻抗成像系统等)是非常重要的，并且多通道输出要同步，还要保持一定的相位关系。传统的波形发生器对由模拟处理或者PCB布线失配而产生的外部信号通道的不均衡、不同芯片间延时时间的差异所引起的输出信号的相位差没有考虑。基于DDS (Direct Digital Frequency Synthesis, DDS)波形合成技术的波形发生器，从相位概念出发，由不同的相位给出不同的电压幅度，即相位-幅度变化，最后滤波，平滑输出所需的频率。波形合成模块主要由相位累加器、波形查找表、数模转换器和低通滤波器组成，具有输出波形种类多，频率分辨率高，频率切换快，相位连续变化，集成度高，体积小，质量轻等优点。随着VLSI技术的发展，DDS的集成度越来越高，在一块芯片上就可以实现其全部功能，这是PLL等频率合成方式难以企及的，这些特征使得它在雷达、导航等无线通信领域得到了广泛的应用。AD9959是ADI公司2005年推出的业界唯一一款多通道高速直接数字频率合成器。该芯片内部集成了四个DDS核，因此可对内部的四个输出通道独立进行编程。通过一个公用系统时钟在芯片内部同步各个独立的通道，AD9959可以对由于模拟处理或者PCB布线失配而产生的外部信号通道的不均衡进行有效的校正，从而使系统工程师用相当少的时间和精力去处理这个通常很复杂的系统设计问题。USB是一种高效、快速、价格低廉、体积小和支持热插拔的新型串行通信接口。其支持多个外部设备的连接和通信，并且即插即用的特点可以使用户在不重新启动计算机的情况下直接将USB外部设备连接到计算机并开始通信。USB规范为计算机和外部设备之间的通信提供了一套完整的解决方案。目前采用DDS技术实现任意波形信号发生器的方法一般有两种，一是在电路上集成现成的DDS芯片来实现，即集成解决方案；二是在现场可编程门阵列(FPGA，Field-Programmable Gate Array)内部用硬件代码来实现DDS功能，即FPGA解决方案。前者接口与控制方式简单，易于开发；后者逻辑实现复杂。前者内部集成DAC，后者外部扩展DAC，实现较前者复杂，集成度不如前者高。前者稳定性和可靠性比较高；后者内部逻辑 设计在流水线处理时容易出现不严谨的逻辑，从而影响可靠性。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高精度、快切换速度、全数字化的基于USB和AD9959的多通道同步的电路结构简单，应用价值高的波形发生器。为达到上述目的，本实用新型的基于USB和AD9959的波形发生器可以通过以下技术方案来实现:本实用新型提供的一种多通道相位可调的信号发生器包括远程PC机显示与控制模块、时钟管理模块、USB接口与控制模块、DDS集成模块、低通滤波器模块、波形合成电路模块；所述的时钟管理模块与USB接口与控制模块、DDS集成模块连接；远程PC机显示与控制模块与USB接口与控制模块中的上位机USB接口连接；USB接口与控制模块中的8051内核与通用可编程接口连接；USB接口与控制模块中的USB收发器与智能USB SIE模块连接；USB接口与控制模块中的通用可编程接口与DDS集成模块中的相位、幅度、频率控制器连接；DDS集成模块中的DAC与低通滤波器模块连接；低通滤波器模块与波形合成电路模块连接。其中，时钟管理模块产生高频高稳时钟源信号，作为该波形发生器的时钟信号；远程PC机通过USB总线实现频率、相位、幅度、占空比的设置与工作方式的转换；相位、幅度、频率控制器控制DDS核产生对应信号波形的数字序列，由数模转换器将其转换为阶梯模拟电压波形，最后由具有内插作用的低通滤波器LPF将其平滑为连续的正弦波形作为输出；输出的正弦波通过比较器电路和逻辑电路产生方波，方波通过积分器产生三角波或锯齿波。所述的USB接口与控制模块模块还包括USB芯片电源、USB时钟单元、USB存储单元、USB控制单元、上位机USB接口和传输电缆接口。其中，USB芯片电源与USB通信芯片相连并提供工作电压和时钟信号;USB通信芯片内设有USB协议和指令集；USB存储单元内设有用于设置的串口引擎和缓冲区工作方式、设置端点的类型大小、设置标志位所代表的意义、设置每个端点的缓冲区大小和层数的USB配置程序。四通道的DDS信号产生单元，每个通道的DDS信号产生单元包括相位累加器、相位加法器、波形查找表和数模转换器；每个通道的DDS信号产生单元中的相位累加器、相位加法器位数相同，能够分别输入相同和不同的相位控制字。相位累加器在N位频率控制字FCW(Frequency Control Word)的控制下，以参考时钟频率f为采样率，产生待合成信号的数字线性相位序列，将其高P位作为地址码通过正弦查询表R0M(Read Only Memory)变换，产生D位对应信号波形的数字序列S(n)，再由数模转换器将其转换为阶梯模拟电压波形S(t)，最后由具有内插作用的低通滤波器LPF将其平滑为连续的正弦波形作为输出。各个通道的DDS信号产生单元输出的波形信号构成具有指定相位差的波形信号。所述的波形发生器输出广4路频率、相位差、占空比可调的正弦波信号，输出广2路频率、相位差占空比可调的方波、三角波和锯齿波信号。所述的波形发生器中的波形合成电路采用的是比较器芯片，该比较器芯片对数字频率发生模块输出的正弦波信号进行过零检测输出数字方波信号，对其进行逻辑运算产生频率、占空比、相位差可调的方波信号，然后将方波信号经过积分电路产生频率、占空比、相位差可调的三角波和锯齿波信号。[0017]所述的波形发生器主要采用AD9959多通道DDS同步特性和USB控制器，实现在线可编程产生频率、相位差、占空比等可调的高精度正弦波、方波、三角波和锯齿波等功能，解决一般信号发生器没有实现的多路输出，输出相位差不可调及输出频率低的问题。
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型的限定。在附图中，图1是本实用新型实例中波形发生器的结构示意图。图2是本实用新型实例中USB控制器的原理示意图。图3是本实用新型实例中DDS集成模块的原理示意图。图4是本实用新型实例中波形合成模块的原理示意图。图5是本实用新型实例中USB中断函数的程序流程图。
具体实施方式
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以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型进行详细描述:本实用新型中波形发生器的结构示意图如图1所示，一种多通道相位可调的信号发生器包括远程PC机显示与控制模块、时钟管理模块、USB接口与控制模块、DDS集成模块、低通滤波器模块、波形合成电路模块；所述的时钟管理模块与USB接口与控制模块、DDS集成模块连接；远程PC机显示与控制模块与USB接口与控制模块中的上位机USB接口连接；USB接口与控制模块中的8051内核与通用可编程接口连接；USB接口与控制模块中的USB收发器与智能USB SIE模块连接；USB接口与控制模块中的通用可编程接口与DDS集成模块中的相位、幅度、频率控制器连接；DDS集成模块中的DAC与低通滤波器模块连接；低通滤波器模块与波形合成电路模块连接。其中，时钟管理模块产生高频高稳时钟源信号，作为该波形发生器的时钟信号；远程PC机通过USB总线实现频率、相位、幅度、占空比的设置与工作方式的转换；相位、幅度、频率控制器控制DDS核产生对应信号波形的数字序列，由数模转换器将其转换为阶梯模拟电压波形，最后由具有内插作用的低通滤波器LPF将其平滑为连续的正弦波形作为输出；输出的正弦波通过比较器电路和逻辑电路产生方波，方波通过积分器产生三角波和锯齿波。DDS集成模块是整个波形发生器的核心，而USB接口与控制模块实现整个系统的逻辑控制功能。远程PC机实现用户远程需求参数的输入以及波形特征结果的显示。PC的用户应用程序发出接收数据的请求，响应设备发出响应决定是否开始传输数据。当系统上电后，系统自动识别设备后加载驱动程序，USB控制器的固件程序通过USB电缆从主机自动下载到其内部程序RAM中，计算机可以通过用户软件取得系统的各种配置信息。USB控制器的原理示意图如图2所示，PC的用户应用程序发出接收数据的请求，响应设备发出响应决定是否开始传输数据。当系统上电后，系统自动识别设备后加载驱动程序，USB控制器的固件程序通过USB电缆从主机自动下载到其内部程序RAM中，计算机可以通过用户软件取得系统的各种配置信息。USB控制器以GPIF (GeneralProgrammable Interface,通用可编程接口)模式控制数据采集和读取，串行接口引擎(SIE)负责完成独立串行数据的编解码、差错控制、位填充等与USB协议有关的功能，它把嵌入式MCU解放出来，使得开发者没有必要研究复杂的USB传输协议，从而专注于接口设计，大大简化了固件代码的开发，缩短了开发时间。USB接口和外围电路直接共享FIFO存储器，这时增强型8501可不参与数据传输，但可以通过FIFO或RAM的方式访问所传输的数据，另外，FIFO与USB之间的传输是以数据包的形式实现的，并不是一次只传输I个字节。这种处理结构被称为〃量子FIFO〃，它很好地解决了 USB高速模式下的宽带问题。USB接口与控制模块包括USB芯片电源、USB时钟单元、USB通信芯片和USB存储单元。其中，USB芯片电源和USB时钟单元分别与USB通信芯片相连并提供工作电压和时钟信号；USB通信芯片内设有USB协议和指令集；USB存储单元内设有用于设置的串口引擎和缓冲区工作方式、设置端点的类型大小、设置标志位所代表的意义、设置每个端点的缓冲区大小和层数的USB配置程序。DDS集成模块的原理示意图如图3所示，USB接口与控制模块中的GPIF通用可编程接口和Cypress智能SIE控制DDS集成模块中的相位、幅度、频率控制器，四通道的DDS信号产生单元，每个通道的DDS信号产生单元包括相位累加器、相位加法器、波形查找表和数模转换器；每个通道的DDS信号产生单元中的相位累加器、相位加法器位数相同，能够分别输入相同和不同的相位控制字。相位累加器在N位频率控制字FCW(FrequenCy ControlWord)的控制下，以参考时钟频率f为采样率，产生待合成信号的数字线性相位序列，将其高P位作为地址码通过正弦查询表ROM (Read Only Memory)变换，产生D位对应信号波形的数字序列S (η)，再由数模转换器将其转换为阶梯模拟电压波形S (t)，最后由具有内插作用的低通滤波器LPF将其平滑为连续的正弦波形作为输出。各个通道的DDS信号产生单元输出的波形信号构成具有指定相位差的波形信号。波形合成电路如图4所示，该电路采用的是比较器芯片，该比较器芯片对数字频率发生模块输出的正弦波信号进行过零检测输出数字方波信号，对其进行逻辑运算产生频率、占空比、相位差可调的方波信号，然后将方波信号经过积分电路产生频率、占空比、相位差可调的三角波和锯齿波信号。本实施实例通过以下方式进行通信:第一步，DDS驱动器连接到电脑时，向电脑提供所必须的信息，待上位机识别USB设备。第二步，上位机根据通信协议向下端传输通信报文，内容主要包括:上位机实时监控DDS运行状态，如连接情况，使能情况等；上位机与DDS驱动器之间上传、下载、保存DDS参数；上位机实时发送控制命令，改变工作方式、状态等。第三步，USB接口与控制模块解析标准USB形式的通信报文，向数字信号处理模块发出中断请求。第四步，数字信号处理模块执行中断程序，中断程序按照通信协议对通信报文做相应的处理。中断函数中的程序流程图如图5所示:(I)当通信报文到来触发中断后，控制器单元会一直接收通信报文，直至全部接受完毕。(2)通信报文全部接收完毕后会放入数据缓冲区，然后开始对报文进行解析。(3)报文报头为报文的第一个8位数据，当它不符合通信协议，则报错退出中断。(4)随后会判断报文的报文类型，报文按功能不同，分为参数更新、DDS命令、请求DDS单元返回参数三类:a.当上位机传来的报文为DDS参数更新，则把DDS集成模块中各通道相位、频率、调制方式、幅值等参数更新为报文中的参数值。b.当上位机传来的报文为DDS命令，则判断是哪种DDS命令，当为连接命令，则DDS驱动会回传一个握手信号表明USB通信系统连接成功；当为DDS使能命令时，则置DDS驱动器的寄存器使能位，使DDS进入待运行的状态。当为DDS关闭命令时，则关闭DDS寄存器使能位。c.当上位机传来的报文为请求DDS放回参数,则DDS驱动器会回传响应参数，回传完毕后，退出中断。第五步，USB接口与控制模块将通信报文封装成标准USB形式，回传给上位机。尽管上面对本实用新型说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应当清楚，本实用新型不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定范围内，这些变化时显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。
权利要求1.一种多通道相位可调的信号发生器，其特征在于:包括远程PC机显示与控制模块、时钟管理模块、USB接口与控制模块、DDS集成模块、低通滤波器模块、波形合成电路模块；所述的时钟管理模块与USB接口与控制模块、DDS集成模块连接；远程PC机显示与控制模块与USB接口与控制模块中的上位机USB接口连接；USB接口与控制模块中的8051内核与通用可编程接口连接；USB接口与控制模块中的USB收发器与智能USB SIE模块连接；USB接口与控制模块中的通用可编程接口和智能USB SIE与DDS集成模块中的相位、幅度、频率控制器连接；DDS集成模块中的DAC与低通滤波器模块连接；低通滤波器模块与波形合成电路模块连接；其中，时钟管理模块产生高频高稳时钟源信号，作为该波形发生器的时钟信号；远程PC机通过USB总线实现频率、相位、幅度、占空比的设置与工作方式的转换；相位、幅度、频率控制器控制DDS核产生对应信号波形的数字序列，由数模转换器将其转换为阶梯模拟电压波形，最后低通滤波器将其平滑为连续的正弦波形作为输出；输出的正弦波通过比较器电路和逻辑电路产生方波，方波通过积分器产生三角波或锯齿波。
2.根据权利要求1所述的一种多通道相位可调的信号发生器，其特征在于:所述的USB接口与控制模块还包括USB芯片电源、USB通信芯片、USB存储单元、USB控制单元、上位机USB接口和传输电缆接口。
专利摘要一种多通道相位可调的信号发生器包括远程PC机显示与控制模块、时钟管理模块、USB接口与控制模块、DDS集成模块、低通滤波器模块、波形合成电路模块；所述的时钟管理模块与USB接口与控制模块、DDS集成模块连接；远程PC机显示与控制模块与USB接口与控制模块中的上位机USB接口连接；USB接口与控制模块中的8051内核与通用可编程接口连接；USB接口与控制模块中的USB收发器与智能USB SIE模块连接；USB接口与控制模块中的通用可编程接口和DDS集成模块中的相位、幅度、频率控制器连接；DDS集成模块中的DAC与低通滤波器模块连接；低通滤波器模块与波形合成电路模块连接。该装置输出频段范围宽，输出波形多样化，输出频率稳定且捷变，输出通道多。
文档编号G06F1/03GK202929519SQ20122049943
公开日2013年5月8日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者张一鸣, 冯金兰, 王旭红, 刘燕楠, 胡科堂 申请人:北京工业大学