任意波形发生器 原理

精密相位控制的多通道任意波形发生器设计

韦孟辉;徐巧玉;王红梅

【摘 要】为了满足对多路波形及其相位进行控制的要求，设计了一种通道可拓展且具有高精密相位控制的多通道任意波形发生器。基于直接数字频率合成技术，由现场可编程门阵列实现多通道任意波形的产生。采用高速模数转换芯片对各通道输出波形同步采样。由 ARM 微处理器对采样数据进行离散傅里叶变换处理得到相位差，并根据差值对输出相位控制字进行比例-积分-微分调节，实现了相位的闭环实时补偿。多个系统可通过同步时钟接口并行工作，实现输出通道的扩展。试验结果表明：该系统相位精度为±0．02°，正弦波和方波的频率范围为1μHz ～10 MHz，输出幅度范围为±10 V，能够实现多系统并行输出。

【期刊名称】《河南科技大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2016(000)001

【总页数】7页(P40-45,50)

【关键词】任意波形发生器;直接数字频率合成;现场可编程门阵列;模数转换;ARM微处理器;离散傅里叶变换

【作 者】韦孟辉;徐巧玉;王红梅

【作者单位】河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003;河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003;河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003

【正文语种】中 文

【中图分类】TN741 随着中国在科学技术和生产等领域的快速发展，在信号测量和设备调试中，常常需要对多路波形信号的系统特性进行研究，且在对高精密仪器的测试测量中，如雷电探测站的测试、航空仪表的测试检修[1]等，需要多路波形之间具有精密的相位差。文献[2-3]对多通道任意波形发生器进行了研究，但是输出波形的相位并不可控。为了解决相位问题，文献[4]提出了一种通过延时控制调节输出数据的延时关系，实现多通道程控延时波形发生器的方法。文献[5-6]提出了一种通过调节相位控制字实现通道之间相位差的双通道任意波形发生器的方法。但是这些方法对相位差仅是开环控制，而在波形产生过程中数模(digital to analog,D/A)转换器、滤波器和放大器等器件对相位都有一定的时延特性，并且器件的老化、环境温度的改变以及后端设备的干扰都会对相位产生影响，单纯地依靠主控器件设定相位差，很难实现输出波形相位的精密控制，且系统之间不能并行输出，无法实现更多路波形的输出。

`三角波发生电路的原理

如图所示：由R1、R2、Q1、Q2组成对电容C2充电的恒流源1；由R3、R4、Q3、Q4组成对电容C2放电的恒流源2。

1、上电的瞬间，C2的电压为0V（对GND），NE555的3脚为高电平（即电压为VCC）（具体

看NE555资料），所以D1导通，D4截至，D3导通，D2截至。恒流源1通过D1对电容C2进

行线性充电，充电电流为I。

tCIdtCIdtCIVc2

C为电容的容量

可以看出，以恒定电流I对电容充电，其两端电压和时间t成一次函数的关系，即线性关系，

即得到三角波的上升沿； 2、当电容C2两端电压达到电源电压的2/3时，即对2脚和6脚同时施加了2/3*VCC的电压，NE555的3脚变为低电平（即电压为GND），此时，D3截至，D4导通，D1截至，D2

导通，电容C2通过D2，恒流源2线性放电，得到三角波的下降沿； 3、当电容C2的电压降到电源电压的1/3以下时，重复1的过程，又开始对电容充电，就这

样周而复始的线性充电、线性放电形成了周期性的三角波。 4、从以上分析可知：产生的三角波含有一个直流成分，即电源电压的1/3。 5、而3脚周期性的高电平、低电平，即为一方波。其频率和三角波频率一样。

6、关于电流

)2100/()21/(RVbeRRVbeI

这里的Vbe是三极管基极和发射极的电压，为一常数，其数值需要实际测量。

令R2 = R4，即可以得到相等的充电电路和放电电流，这样三角波才左右对称。 7、关于周期的计算

由上面的推导可知，充电和放电过程各占周期的1/2，在半个周期内电容C2的电压上

升了或下降了1/3*VCC由上面推出的公式可以得：

231T

CIVcc

既可解出T，在用Tf1可以计算出频率。

例如：按图给定的参数，R2 = 200，C2=1nF，这里我们给定Vbe=1.5V，Vcc=12V

mAI52001005.1

usCVccT19.2105310122

・应用研究・　高斯白噪声任意波形发生器设计实验研究　徐烁　麦启明　（华南理工大学广州汽车学院　广东广州　５１０８００）　摘要：采用赛普拉斯公司的混合信号可煽程片上系统芯片ＰＳｏＣ和直接数字合成频率原理，通过ＰｓｏＣ　Ｄｅｓｉｎｅｒ集成开发平台。充分利　用芯片灵活的模块化资源，设计出了一种基于ＰＳｏＣ硬件可调带宽和功率的任意波形发生嚣。创新之处在于利用一片芯片实现整个系统ＤＤＳ原　理的全部功能，系统电路具有结构简单、实用性强，可靠性高及便携等优点，系统结构得以简化并减少了调试时间。本系统具有较强的应　用价值。　关键词；噪声发生器ＰｓｏＣ　ｍ序列　单芯片　直接数字合成频率　Ｂｏｘ－－Ｍｕｌｌｅｒ变换　中图分类号：ＴＮ８８　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００７－－９４１　６（２０１　０）ｏ８－０ｏ８１一ｏ２　在通信、建筑、机械制造、自动控制、工业测量和航空航天等各　领域中普遍存在着随机噪声，其中最为常见的高斯白噪声常对实　际应用造成严重危害。为了克服噪声的影响，在使用前应对设备进　行抗噪声模拟，因此，需要人工产生高斯白噪声。在各行各业中广　泛采用波形发生器作为信号源，以获取具有良好特性的高斯白噪　声。现代新型信号发生器的研制都采用直接数字频率合成（ＤＤＳ）　技术进行【Ｉｌ，这种技术是第三代频率合成技术的标志，主要特点是　计算机参与频率合成，既可以用软件来实现，也可以用硬件来实　现，或者以二者结合方式实现　随着现代科学的发展，半导体芯片　的集成度越来越高，系统趋于小型化。本系统是基于美国赛普拉斯　半导体公司的可编程系统芯片ＰＳｏＣ平台＿２，　，通过调用片上的系统　模块，利用线性同余法和Ｂｏｘ－Ｍｕｌｌｅｒ变化为核心开发出的单片系　统　ＰＳｏＣ　Ｄｅｓｉｇｎｅｒ是ＰＳｏＣ的集成开发环境，它支持Ｃ语言和汇编　语言编译，采用模块化设计思想，设计时用户选择应用模块后，放　置到可编程模拟和数字模块阵列中，进行配置和连线后，即可完成　系统设计。　１　ｍ序列　由于在实际应用中很难产生真正的随机序列，所以通常用伪　随机数列来替代。伪随机序列是一种具有严格数学结构和优良性　能、可按照预定要求设计的二进制序列。由于它具有类似白噪声的　随机特性，但又能重复产生，所以称为伪随机序列，可以代替白噪　声用于需要随机信号的场合。ｍ序列是指由带线性反馈的移位寄　存器所产生的具有最长周期的伪随机序列的简称　４】。由于该序列产　生所需电路简单、规律性强，而且具有许多优良的性能，很多伪随　机序列都是由ｍ序列衍生而来的。　带线性反馈逻辑的移位寄存器设定各级移位寄存器的初始状　态后，在时钟的触发下，每次移位后各级寄存器的状态随之发生变　化。观察其中一级寄存器的输出，随着移位节拍的推移便会产生一　个序列，称为移位寄存器序列。最长线性反馈移位寄存器是同级的　移位寄存器序列里面最长周期的一组序列，其周期为２ｎ．＿１，其中ｎ　为移位寄存器的个数，也就是移位寄存器的级数。在设置初始状态　后，每个时钟周期右移一位，输出一个ｍ序列。　ａｋ＝ＣＩＧｋ　１＋ｃ２ａｋ２＋…＋ｃｎ—ｌａｋｎ－１＋ｃ　ａｋ＝己ｃｉａｋ—ｆ　（１）　上式称为ｍ序列的递推方程，ｃ为反馈状态，ｃ　０表示反馈线断　开，ｃ＿二１表示反馈线连通｝ａｉ为移存器状态ｌ　Ｊｉ｝为　欠位移。式中加法　为模２￣Ｊ１］法，即０＋ｌ＝１＋０＝ｌ，ｌ＋ｌ＝０＋０＝０，相当于布尔代数中的“异　或”运算。ｍ序列ｎ级线性反馈移存器工作原理如图ｌ所示。　由以上分析可以看出，ｍ随机序列的产生是具有一定的规律性　的，通过对所产生的伪随机序列进行均匀性、分布参数、独立性等　参数的检验，可以近似地认为，ｍ序列产生器产生的数据是（０，１）均　匀分布的，从统计学角度上可以认为是均匀分布的白噪声数据（如　图１）。　２高斯白噪声的产生与噪声功率控制　由随机信号理论可知，在（０，１）服从均匀分布的随机数经过一　定的数学转换可变成服从高斯分布的随机数　。在实际工程设计　中，通常采用Ｂｏｘ－Ｍｕｌｌｅｒ变换法，Ｂｏｘ－Ｍｕｌｌｅｒ算法是最早用于产生　高斯白噪声的算法之一，它是利用均匀随机数来分别计算出高斯　单自动状态：减压阀Ａ或Ｂ或Ｃｔｌ动，Ｄ自动，其他手动。投自动　的减压阀控制顶压。在高炉顶压超过顶压设定值＋１０％时减压阀Ｄ　快开，低于设定值＋５％时取消减压阀Ｄ阀动作，低于设定值＋３％时　减压阀Ｄ慢关。　２．３．３选择性控■方式　梅钢４号ＴＲＴ程序设计时，我们将ＴＲＴ静叶也作为一个调节阀　看待，设计了一套调节高炉顶压的系统控制程序，实现无扰动切　换，确保高炉顶压的稳定。将ＴＲＴ静叶调节输出值作为控制基准，　分五种情况判断各调节阀控制优先权：　ＴＲＴ停运时，设定控制基准为０，即静叶调节输出大于０时，减压　阀组即参与高炉顶压控制；　ＴＲＴ开机过程中，设定控制基准为１０％，即静叶开度小于１０％　时，减压阀组仍参与调解高炉顶压，同时当减压阀组的开度均小于　５％，ＴＲＴ自动切换到“自动”操作模式，进入顶压控制模式，调节高　炉顶压；　ＴＲＴ正常运行过程中，设定控制基准为６０％，即若静叶开度大　于６０％时，减压阀组参与高炉顶压控制；　ＴＲＴ停机过程中，设定控制基准为３％，即静叶开度小于３％时，　减压阀全面参与高炉顶压控制，ＴＲＴ退出控制；　ＴＲＴ机组紧急停机时，减压阀组切换到正常调节模式，透平静　叶开度控制调节信号＞２８％，减压阀组Ｄ阀全开慢关；１０％＜透平静　叶开度控制调节信号≤２８％，减压阀组Ｄ阀开５０％慢关ｌ透平静叶开　度控制调节信号≤ｌ０％，减压阀组Ｄ阀不动作，同时快切阀快切、发　ＴＲＴ重故障信号、发电机紧急解列，透平静叶全关到位。　３结语　自梅钢４号高炉投产以来，系统运行良好，控制系统硬件安全　可靠，软件功能完善，控制方案合理，高炉炉顶压力波动一直控制　在±４ｋＰａ范围以内，满足高炉生产的需要，且ＴＲＴ吨铁发电量已达　５Ｏｋｗｈ，经济效益显著。　参考文献　［１】印建安．章本照．ＴＲＴ顶压稳定性高精度控制技术（ＳＴＰＣ）基本　原理．中国冶金，２００７，１０．　［２】邵惠鹤．工业过程高级控制［Ｍ】．上海：上海交通大学出版社，２Ｏ　０３．　［３】杨春节，李婷婷，宋执环等．正常发电工况下ＴＲＴ中高炉顶压动　态模型研究．浙江大学，２００８，３７（３）：２６—２９．　

Ｈａｒｄｗａｒｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　一种基于虚拟仪器技术的任意波形发生器　王水鱼．冯晓靖　（西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安７１００４８）　摘要：结合虚拟仪器技术，设计了一个基于ＦＰＧＡ的ＤＤＳ信号源。通过基于ＦＰＧＡ的下位机和　ＬａｂＶＩＥＷ的上位机配合，使之能够输出几种固定波形和任意波形。　关键词：ＦＰＧＡ；ＤＤＳ；虚拟仪器技术　中图分类号：ＴＰＩ５　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ６７４—７７２０（２０１３）１８—００１７—０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｗａｖｅｆｏｒｍ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｗａｎｇ　Ｓｈｕｉｙｕ，Ｆｅｎｇ　Ｘｉａｏｊｉｎｇ　ｒＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　７１００４８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａｎ　ＦＰＧＡ—ｂａｓｅｄ　ＤＤＳ　ｓｉｇｎａｌ　ｓｏｕｒｃｅ，ｓｏ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｃａｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｆｉｘｅｄ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ａｎｄ　ａｒｂｉｔｒａｒｙ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　ａｎｄ　ｏｎ　ＬａｂＶＩＥＷ　ｈｏｓｔ—ｃｏｍｐｕｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ＤＤＳ；ｖｉｒｔｕａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　传统的信号发生器采用模拟电路技术Ｉ１］，由分立元　件构成振荡电路和整形电路来产生各种波形。采用这种　技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和　准确度较差，难以产生较为复杂的波形信号。虚拟仪器＿２］　的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪器发展的　最新方向和潮流，是信息技术的一个重要领域。本文的　主要工作是结合虚拟仪器技术进行任意波形发生器的　研究与设计。　１　ＤＤＳ基本原理　ＤＤＳ的基本原理是利用采样原理，然后根据查表产　生波形。一个完整的ＤＤＳ原理如图１所示。　频率控制字　ＦＭ　ｒ肘ｂｉｔ１　相位累加器　（Ｎ　ｂｉｔ）　Ｈ叭Ｈ　存储器ｌ　ｌ　ｌ　ｌ滤波器　・　图１　ＤＤＳ原理　其电路一般包括基准时钟、相位累加器、波形存储　器、Ｄ／Ａ转换器和低通滤波器（ＬＰＦ）Ｉ　。每来一个时钟脉　冲　。　，就送入相位累加器一个频率控制字　。相位累加　器包括一个Ⅳ位加法器和一个累加寄存器，Ⅳ位加法器　将频率控制字　与相位累加寄存器寄存输出的累加相　位数据相加，把　与反馈的累加器输出端的相位数据　之和再次送至累加寄存器的输入端。而相位累加器模块　中的累加寄存器在上一系统时钟信号周期作用下一方　面将已经存储在寄存器中的相位数据反馈到相位累加　《微型机与应用》２０１３年第３２卷第１８期　器中加法器的其中一个输入端，以便加法器将其用于在　下个时钟信号的作用下继续与控制模块发出的频率控　制字　相加；另一方面，将这个数据作为相位累加器的　输出值送入波形存储器按照相位查找表查找，并由波形　存储器输出。最后，波形存储器的输出结果经数／模转换　（Ｄ／Ａ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）和低通滤波器（Ｌｏｗ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）［４－５１的滤波　将其转换成所需要的模拟波形。相位累加器在时钟的作　用下，连续不断地进行频率控制字的线性累加，直至满　量时产生溢出，这样就完成了一个周期，也是ＤＤＳ合成　信号的一个频率周期。　ＤＤＳ的输出频率由频率控制字　决定。输出频率与　系统时钟的关系为：　Ｆ０：—Ｘ￣—ＳＹ—Ｓ　Ｃ—ＬＫ　２　离散样本的个数由相位累加器位数Ⅳ决定，可以看　出在参考时钟频率ＳＹＳＣＬＫ不变的情况下，通过改变频　率控制字　就可以改变输出波形的频率，并且当频率控　制字　＝１时ＤＤＳ的输出频率最小。因此，ＤＤＳ输出分辨　率与相位累加器位数Ⅳ之间的关系为：　Ｆｏ：　ＳＹＳＣＬＫ　（２）　一————　—一　＼－，　２　２系统整体设计方案　本设计系统整体框图如图２所示。ＬａｂＶＩＥＷ【６］上位　机界面主要实现波形的选择调整和绘制，即实现对基于　欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ