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任意波形发生器驱动框架设计与实现

任意波形发生器驱动框架设计与实现

作者：赵崇森电子科技大学

学位级别：硕士

驱动程序是任意波形发生器的重要组成部分,它处于人机交互界面与硬件板卡之间,可以控制硬件板卡实现波形合成功能。任意波形发生器功能复杂且方案多样,使得驱动程序具有较高的复杂度。驱动开发人员需要为每一个任意波形发生器开发独立... 详细信息

驱动程序是任意波形发生器的重要组成部分,它处于人机交互界面与硬件板卡之间,可以控制硬件板卡实现波形合成功能。任意波形发生器功能复杂且方案多样,使得驱动程序具有较高的复杂度。驱动开发人员需要为每一个任意波形发生器开发独立的驱动程序,这会造成大量的工作。对于上述情况,若采用驱动自动生成的方式,则可以减少大量的工作,而驱动自动生成的基础是驱动框架的设计,其为驱动的自动生成提供了有力的支撑。本文针对驱动框架的设计做了以下研究:1.针对高效地编写驱动程序与任意波形发生器硬件的复杂性之间的矛盾,采用了分层的思想去设计框架结构。通过对常见任意波形发生器硬件设计方案以及常见人机交互接口进行分析,将框架结构分为核心层、用例层以及接口层。其中核心层包括寄存器、存储器、DAC、FIFO以及继电器等组件,用例层包括时钟模块、触发模块、波形合成模块以及信号调理模块等模块,接口层包括时钟配置、触发配置以及通道配置等接口。2.针对驱动框架的可复用性与任意波形发生器硬件设计方案的多样性之间的矛盾,采用了依赖注入的思想去设计框架结构,提取了驱动程序中共性的控制流程,设计了相关的接口。针对不同的功能实现,框架使用者可以将功能实现逻辑注入到框架内对应的模块中,使框架外的具体逻辑与框架内不变的控制流程相结合,从而形成一套针对于特定项目的驱动程序。3.针对两款任意波形发生器,基于该框架设计并实现了各自驱动程序。在相应硬件上的测试表明这些驱动程序功能正常。本文从源代码行数角度对比了基于框架和独立编写的驱动程序,结果表明基于框架的驱动程序总代码量平均减少了72%。

关键词：任意波形发生器驱动框架分层设计模块化

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任意波形发生器

电子产品世界 1997年第1期 79-80页

作者：方

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10GSPS多通道任意波形发生器底板设计

10GSPS多通道任意波形发生器底板设计

作者：吴廷益电子科技大学

学位级别：硕士

任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator,AWG）作为测试测量仪器中的一种通用信号源,可用来产生高带宽、高频率分辨率、相位可连续变化的波形信号。现代化测试领域中对任意波形发生器的存储深度、通道数目等指标要求逐渐提高,需... 详细信息

任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator,AWG）作为测试测量仪器中的一种通用信号源,可用来产生高带宽、高频率分辨率、相位可连续变化的波形信号。现代化测试领域中对任意波形发生器的存储深度、通道数目等指标要求逐渐提高,需要为每个通道均提供高速数据传输接口以及大容量存储器,导致在进行多通道设计时波形合成模块的器件规模成倍增加,目前国内的芯片集成度以及仪器结构设计难以同时满足高存储深度与多通道的要求。针对此问题,本文基于10GSPS任意波形发生器项目,设计一种具有总线扩展、时钟产生、通道同步等多功能的底板,通过底板+模块的组合方式来完成10GSPS八通道任意波形发生器的设计。主要工作内容如下:1、项目整体分析与功能划分。从任意波形发生器的设计结构进行分析,对比不同结构下仪器的特点,采用底板+模块的组合方式作为本项目的设计结构。随后对底板与各模块进行功能划分,将每两通道设计成一个波形合成板卡,充分发挥双通道高速DAC的性能;在底板中,针对上位机总线输出接口数量不足的问题,设计数据总线扩展功能,保证各通道能独立输出波形信号。针对多通道的同步问题,设计时钟产生与触发调理功能,为各波形合成模块提供同源的时钟与同步触发信号。2、底板总体方案设计。根据底板的各项功能,完成对应的方案设计。根据项目2G样点/通道的存储深度要求,采用PCIe2.0×4总线作为本项目的数据传输总线,通过PCIe Switch对上位机的输出总线进行扩展,分别给到底板与四个波形合成板卡;通过时钟扇出器+分配器的方式对时钟源进行扩展,满足各波形合成模块中JESD204B链路、DAC、FPGA等器件对时钟及其同步的需求,并对跨模块的时钟合成方案进行划分;采用高分辨率DAC+高速比较器的方式对外部触发源信号进行调理,实现触发信号满足0.1V分辨率以及-1.25V～+1.25V幅度范围的指标要求;由于上位机的总线枚举特性,需要底板与各波形合成模块先于上位机上电,通过电源开关电路来实现各模块的分时上电以及仪器的待机功能。3、底板硬件电路的设计与实现。根据底板各方案中的指标要求,对关键器件进行选型并设计出具体硬件电路。完成PCIe Switch外围电路的设计,并对总线扩展功能进行验证;根据器件手册,对时钟与触发电路进行电阻端接匹配,并验证各级芯片的输出电平标准;完成底板的电源电路以及电源开关电路的设计;对PCB板级布线的延时进行评估,控制各模块之间的传输线延时差在10ps以内。最后对底板的硬件电路进行测试,根据测试结果表明,底板能将上位机的波形数据与控制命令准确地发往各模块中;底板为各模块所提供的的时钟信号同步精度为200ps,触发信号同步精度为40ps。

关键词：多通道任意波形发生器同步底板 PCIe

高速任意波形发生器数字预校正模块设计与实现

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高速任意波形发生器数字预校正模块设计与实现

作者：吴穹电子科技大学

学位级别：硕士

任意波形发生器作为能够按照用户需求生成多样化测试信号的激励源,在通信、雷达等各种领域被广泛应用。其核心技术为直接数字合成技术,需要数模转换器来完成数字波形到模拟波形的转换,但数模转换器的保持特性会导致其输出信号发生幅度滚... 详细信息

任意波形发生器作为能够按照用户需求生成多样化测试信号的激励源,在通信、雷达等各种领域被广泛应用。其核心技术为直接数字合成技术,需要数模转换器来完成数字波形到模拟波形的转换,但数模转换器的保持特性会导致其输出信号发生幅度滚降;同时后级模拟通道的不平坦幅频特性也会对最终输出信号引入额外的幅频畸变。因此,本文针对数模转换器及模拟通道带来的综合幅频畸变进行校正方法研究,并在5GSPS采样率任意波形发生器中设计预校正模块,使1GHz带内信号的输出平坦度达到±1.5d B。主要工作如下:1、高速并行滤波方案设计。针对现场可编程门阵列中无法直接对5GSPS高速数据进行处理的问题,研究基于多路并行滤波器的幅频校正模块设计方案,通过16路并行设计,将单路滤波器工作速率降为312.5MHz。为减少硬件实现中的资源消耗,采用基于迭代短卷积的并行滤波器结构优化设计方法,减少子滤波器的数量。相比于传统16路并行滤波器结构,节省了68.36%的子滤波器。2、滤波器系数优化设计。求取校正滤波器首先需要获取带内信号的幅频曲线。频谱仪能够同时获取多个采样点的幅频信息,但在低频处测量精度较低。为避免该问题,采用频谱仪和功率计联合测量获取系统幅频曲线。滤波器采用基于线性规划的最大最小化设计方法进行求解,以设计滤波器与理想滤波器间的频响误差为优化目标,选取滤波器阶数为248;对滤波器系数位宽量化误差进行分析,将系数位宽量化至16位,使得设计滤波器与理想滤波器频响误差小于0.01d B。3、滤波器系数可重载的幅频校正模块设计与实现。在任意波形发生器系统的数模转换接口模块前嵌入以转置结构子滤波器为基础的幅频校正模块。针对系统可移植性的需求,设计基于Booth-Wallace算法的快速乘法器,实现滤波器内乘法运算。针对模拟通道在不同幅度下幅频响应有差异的问题,利用block RAM实现滤波器系数可重载。完成16路并行滤波器的实现;采用流水线、并行化设计等时序优化手段,使系统的时序更容易收敛。对5GSPS采样率任意波形发生器上的多个输出幅度点进行幅频校正模块测试,测试结果表明,设计的幅频预校正模块能够有效补偿系统的幅度不平坦现象。能够将1GHz内750m Vpp、300m Vpp和50m Vpp几个幅度点处最大10d B左右的幅度不平坦性校正到1.5d B以下。

关键词：任意波形发生器幅频校正 FIR滤波器 ISCA

800MSPS任意波形发生器数据处理模块设计与实现

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800MSPS任意波形发生器数据处理模块设计与实现

作者：黄莞迪电子科技大学

学位级别：硕士

任意波形发生器（AWG）可以生成多种标准波形和用户自定义任意波形,其核心技术主要是直接数字频率合成（DDFS）和直接数字波形合成（DDWS）。DDWS中采样时钟频率往往以微小步进变化达到高频率分辨率要求,但也会造成输出镜像频率位置不固... 详细信息

任意波形发生器（AWG）可以生成多种标准波形和用户自定义任意波形,其核心技术主要是直接数字频率合成（DDFS）和直接数字波形合成（DDWS）。DDWS中采样时钟频率往往以微小步进变化达到高频率分辨率要求,但也会造成输出镜像频率位置不固定,难以用截止频率固定的低通滤波器将其滤除;此外,DDFS和DDWS中DAC零阶保持特性以及模拟通道非线性也会对输出信号幅度平坦度造成影响。因此,本文以800MSPS任意波形发生器为研究对象,针对DDWS引入的镜像频率位置不固定问题,研究基于采样率转换的DDWS技术,针对DDFS和DDWS引入的幅度不平坦问题,研究基于幅频校正的DDFS/DDWS技术,完成800MSPS采样率下数据处理模块的设计与实现。主要工作如下:1、数据产生和数模转换接口模块设计与实现。为使标准波达到同类波形的频率捷变,采用基于DDFS的4并行存储器方式在800MSPS采样率下产生标准波数据;为使任意波达到256M点的深存储要求,采用DDWS,通过AXI DMA IP核控制DDR3 SDRAM的读取生成任意波数据。将上述生成的波形数据经过数据映射处理后,通过JESD204B IP核送给DAC进行数模转换得到模拟波形信号。2、采样率转换模块设计与实现。针对DDWS引入的镜像频率位置不固定问题,研究基于Farrow结构滤波器的采样率转换技术。为实现5SPS～800MSPS到800MSPS采样率的转换,采用4并行Farrow结构并分析其时间参数求解方式。通过对指标和误差的分析,选择合适的滤波器系数。最后利用移位寄存、多相滤波、时间参数处理、滤波结果处理和多项式计算五个模块对其进行逻辑实现。3、幅频校正模块设计与实现。针对DDFS和DDWS引入的幅度不平坦问题,研究基于FIR滤波器的幅频校正技术。为在资源消耗尽可能少的情况下达到800MSPS采样率,采用基于改进的快速FIR算法（FFA）的4并行FIR结构。通过对指标和误差的分析,选择合适的滤波器阶数。最后利用数据缩放、数据预处理、滤波、数据后处理和数据还原五个模块对其进行逻辑实现。测试结果表明,设计的AWG能够输出最高频率80MHz的标准/任意波;不仅能将采样率由5SPS～800MSPS转换到800MSPS,还能校正由DAC和模拟通道引起的幅频失真。输出频率小于1MHz时无杂散动态范围大于72d Bc,校正后在DC～80MHz内幅度平坦度小于0.4d B,与NI公司PXIe-5433相关技术指标相当。

关键词：任意波形发生器数据处理模块采样率转换技术幅频校正技术

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5GHz带宽任意波形发生器通道电路设计

5GHz带宽任意波形发生器通道电路设计

作者：敬锐电子科技大学

学位级别：硕士

任意波形发生器能构建真实环境信号,被广泛运用于民用与军用测试领域。其中调理通道位于仪器信号通路的末端,将对任意波形合成模块输出的波形信号进行幅度、直流偏置、滤波等调理,使得调理后的信号满足仪器输出指标要求。本文以提升带... 详细信息

任意波形发生器能构建真实环境信号,被广泛运用于民用与军用测试领域。其中调理通道位于仪器信号通路的末端,将对任意波形合成模块输出的波形信号进行幅度、直流偏置、滤波等调理,使得调理后的信号满足仪器输出指标要求。本文以提升带宽、波形纯度以及信号幅度调节范围等技术指标为目标,设计了一款12GSPS采样率、5GHz带宽、具有多输出模式的任意波形发生器调理通道。主要研究内容如下:1、通道电路总体方案设计与实现。通过分析调理通道输入信号的幅度与频谱特性,针对该输入信号中幅度可调范围小、偏置电压不可调与信号存在杂散分量等问题,通过对通道中的放大、衰减、直流偏置与滤波等模块进行方案论证与器件选型,同时基于直流耦合与交流耦合方式输出结构的共性,简化电路,设计了同时满足两种输出模式指标的通道衰减电路与滤波电路,并分别设计了包含放大电路与直流偏置电路的直流与交流耦合通道。而针对快沿方波信号的合成输出,采用高速比较器与高速逻辑门等器件设计了单独的快沿方波通道。针对各通道电路的切换需求,采用MEMS开关与高频继电器设计了三级切换电路。2、多输出模式调理通道电路设计与实现。针对任意波形合成模块输出信号中存在的nf±f镜像频率分量与调理通道中放大器等有源器件引入的噪声等杂散分量,采用八级LTCC滤波器与ADGM1304型MEMS开关设计5GHz宽带滤波网络,实现了5GHz带宽内最高-80d Bc无杂散动态范围的正弦信号输出。针对通道幅度衰减的需求,采用PE43704型数字步进衰减器设计衰减范围为0～32d B步进可调的衰减电路。针对交流耦合通道50MHz～5GHz带宽内-20d Bm～+10d Bm输出幅度范围的指标要求,采用射频放大器HMC8411型与通道衰减电路设计交流幅度粗调电路。针对直流耦合通道DC～5GHz带宽内25m V～5V输出幅度范围的指标要求,采用LMH5401型差分放大器、THS3491型运算放大器设计与通道衰减电路设计幅度粗调电路。3、实现快沿方波的产生与调理。针对差分快沿方波信号的产生,采用高速比较器ADCMP580型器件产生CML电平的固定占空比50%的差分方波信号,该信号通过高速逻辑门HMC721型与外接比较电平相与并在输出端进行钳位处理得到上升/下降时间小于110ps的固定幅度的快沿方波信号。针对快沿方波信号的幅度与直流偏置调理,采用差分放大器LMH5401与压控衰减器HMC346实现快沿方波的幅度精调与粗调;采用电压叠加的方式,完成快沿方波的直流偏置调理,实现了幅度25m V～750m V、直流偏置电压-0.5V～+0.5V快沿方波信号的输出。测试结果表明,本文设计的5GHz带宽任意波形调理通道,采用直流耦合与交流耦合输出方式,实现了25m V～5V幅度、-5V～+5V直流偏置、最高-80d Bc无杂散动态范围与110ps上升/下降时间快沿方波等调理通道设计指标,处于国内领先水平,与国外是德M8190A产品调理通道水平相当。

关键词：多输出模式调理通道宽带信号调理快沿方波信号任意波形发生器

5GHz带宽任意波形发生器调理通道的设计与实现

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5GHz带宽任意波形发生器调理通道的设计与实现

作者：夏山淋电子科技大学

学位级别：硕士

任意波形发生器作为一种可输出用户自定义波形的信号源,在各种测试领域具有至关重要的作用。而调理通道作为任意波形发生器的输出级,影响最终输出的各项指标。国内受限于技术和器件性能,模拟带宽、宽幅度动态范围、高分辨率以及超快沿... 详细信息

任意波形发生器作为一种可输出用户自定义波形的信号源,在各种测试领域具有至关重要的作用。而调理通道作为任意波形发生器的输出级,影响最终输出的各项指标。国内受限于技术和器件性能,模拟带宽、宽幅度动态范围、高分辨率以及超快沿方波的实现非常有难度。本文在研究如何实现高带宽、高分辨率大幅度动态范围、高分辨率偏置以及超快沿方波的基础上,设计了一款5GHz带宽的任意波形发生器调理通道,其具有高带宽和高幅度输出模式,主要研究内容如下:1、宽带放大电路的设计。针对宽带信号的放大调理,在考虑宽带调理能力、最小压摆率、输出功率和差分输出需求的基础上,对运放、增益块、可变增益放大器以及差分放大器的上述特性进行分析,选用压摆率和带宽最优的全差分放大器设计高带宽放大电路,选用输出功率较高的运放设计高幅度放大电路。在高带宽模式中选用LMH5401和LMH3401,其中LMH5401用于前级DAC输出缓冲并实现单端转差分以满足后级的相关需求,LMH3401用作后级增益实现以满足高带宽输出幅度的要求,最终实现了5GHz带宽、最高12d B增益的效果;在高幅度模式中,基于ADA4927和THS3491设计了两级电流反馈型运放电路,其中ADA4927用于单端转差分以满足后级需求,THS3491用作高增益、大功率的实现以满足高幅度模式输出5Vpp的要求,最终实现了370MHz带宽、最高15d B增益的效果。2、宽幅度动态范围及高分辨率实现。针对输入幅度动态范围小的问题设计了大动态范围衰减网络,在分析各类衰减方法的带宽、衰减范围和插损后,基于高带宽数控衰减器PE43704B和插损0.2d B的YAT固定衰减器设计了数控衰减器+可旁路固定衰减器的结构,最终实现了5GHz带宽、有效衰减达-93d B的效果以满足全带宽最小35μVpp的要求;针对幅度分辨率需小于50μVpp,基于幅度精调+粗调设计了16位DAC+压控衰减器的结构,将幅度分辨率由1.38m Vpp提高到16μVpp;3、超快沿方波调理电路的设计。针对前级模块输出方波边沿时间较大(>300ps)的问题,设计了比较器+异或逻辑门的结构以输出边沿时间足够小的方波信号。同时在避免恶化逻辑门输出边沿时间的基础上,设置浮地并配合前级共模电平的调整以消除逻辑门输出包含的直流偏置,使得输出信号满足后级电路不能包含共模电压的要求。针对输出方波幅度不达标的问题,分析方波频谱特性后设计差分放大电路进行幅度放大以满足普通幅度模式下1.5Vpp的需求;针对5Vpp的高幅度快沿方波信号,在分析相应方波输出功率等特性后,设计了基于HMC8410的射频放大电路。为降低射频放大器的工作频率下限,用工作频率更低的集成偏置三通网络JEBT-4R2GW+作为射频放大器的外围Bias-Tee电路以获取更好的低频性能。测试结果表明,设计的调理通道可以实现5GHz(-8d B)的实时带宽、35μVpp～1.5Vpp的幅度动态范围和-2.5V～+2.5V的偏置电压范围,且实现了16μV和14μV的信号幅度和偏置电压分辨率,此外还可输出上升/下降时间为47ps@1Vpp和60ps@5Vpp的高幅度超快沿方波,综合指标处于国内领先水平。

关键词：任意波形发生器调理通道超快沿方波高带宽高分辨率

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高分辨率任意波形发生器的实现

东南大学学报（自然科学版） 2002年第4期32卷 576-580页

作者：胡仁杰东南大学电气工程系南京210096

分析了传统AWG的不足 ,研究了D/A转换器字宽和数据输出速率对信号失真度的影响 ,介绍了直接数字频率合成 (DDS)的基本原理 .运用DDS技术构成了高分辨率的AWG ,并详细论述了AWG各组成电路的设计方法 .此任意波形发生器 (AWG)可以产生任... 详细信息

分析了传统AWG的不足 ,研究了D/A转换器字宽和数据输出速率对信号失真度的影响 ,介绍了直接数字频率合成 (DDS)的基本原理 .运用DDS技术构成了高分辨率的AWG ,并详细论述了AWG各组成电路的设计方法 .此任意波形发生器 (AWG)可以产生任意波形的周期性信号 ,能灵活控制信号的频率、幅值和相位 ,并且在很宽的频率范围内快速切换频率 .本文采用两级串联的D/A转换器以获得全量程范围内信号具有高分辨率输出 ;运用DDS技术构建频率信号源。

关键词：高分辨率直接数字频率合成任意波形发生器 D/A转换器 DDS AWG 失真度

双RAM直接数字合成任意波形发生器微机插卡研制

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清华大学学报（自然科学版） 1999年第2期39卷 90-93,97页

作者：左磊连小珉班学钢蒋孝煜清华大学汽车工程系

在工程和实验研究中，时常要求动态地提供连续的长周期或非周期的复杂信号。为满足这一需要，本文设计并研制了双ＲＡＭ任意波形发生器（ＡＷＧ）微机插卡。从直接数字频率合成出发，介绍了该ＡＷＧ插卡的总体设计，详细描述了本ＡＷＧ... 详细信息

在工程和实验研究中，时常要求动态地提供连续的长周期或非周期的复杂信号。为满足这一需要，本文设计并研制了双ＲＡＭ任意波形发生器（ＡＷＧ）微机插卡。从直接数字频率合成出发，介绍了该ＡＷＧ插卡的总体设计，详细描述了本ＡＷＧ电路的硬件实现及其特点。用普通的静态存储器构成的两个大容量双口ＲＡＭ，实现了不间断输出的情况下波形的动态更换；采用直接存储器传送，波形数据更换快；ＩＳＡ总线微机卡式仪器，通用性好，有丰富的软硬件支持，性能价格比高。

关键词：任意波形发生器直接数字合成 ISA总线微机插卡