任意函数波形发生器硬件电路设计

发布时间：2020-05-10 18:31

【摘要】：任意函数波形发生器(Arbitrary Function Generator,AFG)是一种具备产生多种波形能力,使用灵活的多功能宽带信号发生器,广泛应用于多种测试验证领域。信号频率可捷变,具备多种调制功能,具备宽带脉冲合成能力与脉冲参数精密可调是AFG的四大特点。本文围绕上述四点,对波形合成方案、信号调理方法以及硬件实现结构进行了深入研究。本文主要研究内容包括:1.实现频率捷变信号与任意信号合成。采用基于直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis,DDFS)的多路存储器并行结构实现除脉冲以外波形合成。合成任意波时采取变采样深度方式避免因跳点抽取造成信号失真问题。最终实现1μHz至500MHz正弦波与1mHz至120MHz任意波产生;2.实现多种调制与功能。分析调制参数,根据调制计算特点将所有调制功能分为幅度调制、频率控制、相位控制三部分。通过数字方式实现两任意波形的幅度调制、频率调制、相位调制功能。实现频移键控、脉冲宽度调制、扫频、猝发等多种调制与功能。特别针对幅度调制中调制深度大于100%问题进行研究,结合理论分析引入深度调整因子,设计调制深度可至120%的幅度调制单元;3.实现宽带脉冲合成与脉冲宽度精密调节。脉冲分为高速与低速部分,通过数字积分方式实现1μHz至1kHz脉冲低速脉冲部分合成。通过边沿触发信号延迟比较方式实现1kHz至120MHz高速脉冲合成。利用延迟精调单元与延迟粗调单元进行脉冲宽度高精度控制,实现最高10ps调节精度;4.实现脉冲边沿大范围线性调节。针对利用数字方式调节脉冲边沿分辨率不佳,模拟方式调节脉冲边沿范围受限问题,同时结合数字积分与模拟方式实现脉冲边沿调整。通过数字积分方式实现低速脉冲边沿在1ms至625s范围内可调。基于电容组恒流充放电边沿调整电路结构设计高速脉冲边沿调理单元。最终在高速脉冲上实现2.5ns至1ms脉冲边沿调理范围。系统测试结果表明,AFG可实现多波形产生,实现多种信号调制,具备扫频、猝发等多种功能。正弦与脉冲频率误差分别不超过0.3ppm与0.25ppm;输出1MHz正弦时信杂比为-76.01dBc;脉冲边沿控制误差不超过6.04%;信号幅度在50mV至5V范围内可控,幅度误差分别不超过±(1%×|设置值|+5mV(V_(pp)))与±(2%×|设置值|+5mV(V_(pp)))。幅度控制精度达0.1mV,总体与泰克公司AFG3252水平相当。
【图文】：

幅度调制,实现结构,调制表,波形

( ) ( )cos 2m m mm t A f tπ φ = + 对于幅度调制过程，以 ( )AMy t 表示调幅信号，则其调制表达式为：( )( )( )( ) ( )11 cos 2 sin 2AMcm m c c cm ty t c tAm π f t φ A π f tφ = + = + + + (2-8)对于频率调制过程，以 ( )FMy t 表示调频信号，则其调制表达式为：( ) ( ( ))0sintFM c c=y t A ωt +m t dt∫(2-9)对于相位调制过程，以 ( )PMy t 表示调相信号，则其调制表达式为：( ) sin( ( ))PM c c cy =t A ω t + m t+φ(2-10)以上各种调制方式在实现方法上总体说来可以分为模拟调制方式与数字调制方式对上述调制公式进行实现。幅度调制模拟实现方式如图 2-5 所示，分别将载波信号与调制波信号输入模拟乘法器，两信号相乘之后经滤波之后得到调幅信号。

频率调制,实现结构,波形,示意图

图 2-6 频率调制波形示意图与模拟实现结构图DDFS 结构通过改变频率控制字改变输出信号频率，因此频率调制数字实现方式可利用调制源信号控制频率控制字实现。与模拟实现方式相比，载波波形可以是任意形状的波形。因此利用数字方式进行调频更加灵活。相位调制模拟实现方式如图 2-7 所示，相位是频率的在时间上的积分，该结构反向利用这一点，首先将调制源信号经过微分电路，，再利用微分电路输出控制压控振荡器输出相位调制信号。总的来说电路结构复杂，且只能对正弦进行调相。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN702

【参考文献】