基于DSP的脈沖信號發生器

宋文愷

（武漢市江漢大學，湖北 武漢 430000）

基于DSP的脈沖信號發生器

宋文愷

（武漢市江漢大學，湖北 武漢 430000）

數字信號發生器是電子通訊領域常用的且必不可少的儀器。電子電路系統的穩定運行是功能實現的基礎，信號發生器在整個系統的開發過程中起到了至關重要的作用。本文研究了當前的脈沖信號發射器系統的主流技術，綜合行業經驗和實際市場需求，以數字信號處理器DSP為核心，將高集成度和高精密的數字頻率合成芯片與之結合，設計了一種研發周期短、技術指標過硬的脈沖信號發生器解決方案。

脈沖信號DSP數字頻率合成

1 緒論

脈沖是自然界中最常見的信號，無論是雷電還是蜘蛛的捕食活動都包含了脈沖的信息。簡單的事，脈沖指的是某一個物理信號經過段時間的運動又回到原來的狀態的活動，脈沖的形成也是多種多樣的，聲音信號、電流信號、煤氣燃燒等都具有脈沖信號的特性。在電子信息技術中，通常需要使用某種方法制造出脈沖信號，用來合成其他的信號源。

在工業、農業、生物醫學等領域內，都需要功率大小不等、頻率高低不等的脈沖信號發生器[1]。隨著數字電子技術的高速發展，當前脈沖信號發生器大多使用DSP技術結合DDS進行信號發生器的開發。這種技術方案下的脈沖信號發生器穩定性高，同時能達到很好的精度，可以滿足不同領域的需求，特別是關系到國計民生的通信、國防以及醫療等行業，基于DSP技術的脈沖信號發生器被廣泛使用。

2 脈沖信號發生器介紹

2.1 脈沖信號發生器的種類

脈沖信號發生器是工業生產和科研中最常用的信號源儀器，其基本原理是依靠頻率合成，采用數字信號芯片產生不同頻率和幅值的信號。在電路的調試過程中，常用脈沖信號和正弦信號作為系統信號質量評估的方式。常見的脈沖信號發生器，可以調節生成幅度、占空比、周期在某些范圍內自由控制的脈沖信號[2]。

隨著數字技術的發展，脈沖信號發生器的生產和制作工藝、精度都越來越高，根據不同的標準，信號發生器的分類方式多種多樣，但是最基本的分類方式主要有以下三種:

（1）根據脈沖信號發生器的輸出信號不同，可以將其劃分為邏輯源和混合源兩種。

（2）脈沖信號發生器的觸發方式有內觸發和外觸發兩種，按照這個區別，將其分為內/外觸發型脈沖信號發生器。

（3）根據不同的應用環境，脈沖信號發生器的功率是不同的，依據功率大小的差異，將信號發生器分為小功率和大功率兩種。

當然，在其他的使用條件或者生產技術中，脈沖信號發生器的分類還有很多種，這里不做探討。

2.2 國內外研究現狀

因為脈沖信號發生器巨大的科研價值和市場需求，國外有大量的企業和機構很早便投入了對它的研發并取得和一系列成果。美國的惠普公司生產的HP8116A脈沖信號發生器在技術上較為領先，市場地位穩固。GLOBAL SPECIALTIES研發的4001系列，是一種應用也十分廣泛的可控脈沖信號發生器[3]。

圖1 國外研發的知名脈沖信號發生器產品

國內知名的脈沖信號發生器廠家中，AFG3000系列任意函數發生器是西域科技研發生產的，跟它類似的產品有嘉兆公司研發的Wonder Wave系列產品。此外，較為知名的脈沖發生器廠家還有南峰公司和寧波中策公司。

圖2 國內研發的知名脈沖信號發生器產品

3 脈沖信號發生器設計方案

3.1 總體設計方案

DSP技術在數字信號處理中因其高速的處理器和內部強大的硬件乘法器、DMA控制器等資源而廣泛使用。在信號發生器研發領域，DSP芯片和數字頻率合成技術的配合，使得數字信號生成的精度、速度不斷提高，而研發難度卻在降低[6]。

根據行業經驗和現在的技術手段，采用DSP+DDS芯片的設計方案，可以短期內開發出性能卓越的脈沖信號發生器[4]。本設計經過綜合考量，結合實際情況而采用了DSP主控芯片結合DDS芯片作為信號發生器系統的硬件其礎。

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的存儲空間，并且數據傳輸率最高可到923Mbps，可以勝任信號發生器中的高速任務處理。TMS320C6713片內寄存器、鎖存器等資源豐富，配置靈活，可以依靠片內的大量RAM資源達到高速的并行計算，可以在很低的成本下實現與DDS芯片的軟硬件匹配使用。

3.3 DDS芯片選型

DDS芯片是數字信號發生器的核心計算單元。由于對信號實時性和精度的高要求，選用了AD公司的具有兩路正交D/A轉換器的AD9854芯片產品，能高效率的將頻率合成輸出。AD9854可以輸出高達150MHz的數字FM信號，能夠輸出高質量的正弦信號、PSK、FSK、CHIRP信號等，滿足脈沖信號發生器的研發需求[5]。

4 脈沖信號發生器設計實現

基于DSP和DDS的信號發生器，硬件結構簡單，研發周期可以大大縮短，核心模塊主要包含:信號采集和轉換模塊、DSP主控單元模塊、USB數據傳輸模塊、脈沖信號生成單元模塊。

圖3 總體設計結構框圖

下面主要介紹脈沖信號發生器的核心單元的設計規則。

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速率快，但是設計使用較為繁瑣，如果采用串行GPIF模式，信號帶寬會有所降低，但是這種方式下硬件連接和設計都比較簡單。設計時候可以依據需求自由配置。當DDS芯片AD9854的S/P引腳被拉低時，硬件將會選擇串行的GPIF模式工作；相反的情況下，芯片被選中工作在并行數據傳輸模式下，此時地址線和數據線的數量都比串行方式多，工作效率相應的提高了很多。在這種模式下，DDS芯片的能以100MHz的工作頻率進行雙向傳輸。

4.2 DSP與DDS的連接

在高速信號處理過程中，信號的傳輸質量始終關系到整個系統的運行。采用高速差分信號傳輸，是一種抗共模干擾能力很強的新型數據傳輸方案。LVDS是滿足DDS和DSP之間高速高效數據傳輸的常見的差分接口，在脈沖信號發生器中使用能夠對信號的質量起到很好的保護作用。圖4是DSP與DDS芯片的接口設計圖，其中使用了LVDS的模數轉化器。LVDS規定了驅動器和接收器的電氣特性。使用LVDS的模數轉化器，不僅可以保證其高性能的轉化，并且能夠實現高速數據傳輸，這是決定脈沖信號發生器的關鍵因素。

圖4 DSP與DDS芯片的接口設計圖

4.3 電源管理電路設計

數字電路的穩定工作需要考慮很多的系統內干擾，而電源管理在數字信號處理系統中起到了尤為重要的作用。特別是信號發生器中，需要對不同的芯片供電進行隔離和邏輯判斷。采用TI公司的高效LDO電源管理芯片是一個合理的解決方案。通過主電源分離除不同的端口，驅動對用的電源芯片，設置不同的電源引腳，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，同時不影響信號的高質量傳輸。

圖5 電源管理電路設計圖

5 脈沖信號發生器功能驗證

下面是對脈沖信號發生器的性能檢驗過程，具體的實施步驟為，設定標準輸入信號的幅值和頻率，固定為3V/2MHz，便于對信號的質量進行對比。信號波形設定為依次鋸齒波、三角波、方波和指數波[8]。分別得到各種不同信號源測試情況下的輸出波形，將信號存儲并傳輸至計算機級逆行分析，對脈沖信號發生器的性能進行評價。從得到的結果來看，對鋸齒上升沿信號的處理優于下降沿，下降沿信號出現了顯著的過沖，對三角波信號的處理比較令人滿意，上升沿指數波的波形也基本達標，而方波則出現了較為明顯的振鈴現象。

圖6 信號發生器波形輸出圖

6 結語

根據實際檢驗，本脈沖信號發生器基本達到了設計的初衷，但是在某些環境下，還存在有亟需解決的問題。在下一個階段的工作中，信號的振鈴振蕩和過沖問題需要通過算法的優化，增加合適的濾波器進行糾正。同時，這些算法要保證對正常脈沖信號發生的隔離，而不能造成信號質量的下降。

[1]梁睿.基于DSP和DDS的信號發生器硬件設計及可靠性研究[D].武漢理工大學,2012.

[2]王曉光.基于DSP的DDS信號發生器[D].吉林大學,2006.

[3]莊海軍.數字函數信號發生器的設計與實現[D].江南大學, 2008.

[4]劉劍科,王艷芬,王勝利.基于DSP的信號發生器的設計與實現[J].現代電子技術,2005,16:126-128.

[5]劉金亮.直接數字頻率合成技術實現研究[D].北京交通大學,2008.

[6]孫素平.基于DDS技術信號發生器的研究與設計[D].哈爾濱工業大學,2010.

[7]Chen Y J,Zhang Y H,Ying G W.Design of Temperature Control System Based on DSP and Fuzzy Neural Network[J]. Advanced Materials Research,2013,823:384-387.

[8]姚琪,范曉畑.50MHZ脈沖信號發生器的原理與調試[J].電子技術與軟件工程,2015,3:084.