測試新技術-任意波形合成

1、高速任意波形合成高速任意波形合成技術研究技術研究劉科劉科自動化工程學院自動化工程學院測試新技術前沿講座測試新技術前沿講座典型的自動測試系統(tǒng)典型的自動測試系統(tǒng)電子系統(tǒng)頻率范圍提高電子系統(tǒng)頻率范圍提高新體制、新制式推出新體制、新制式推出電子技術應用領域拓展電子技術應用領域拓展高速高速l極高的頻率或帶寬極高的頻率或帶寬l極高的頻率切換速度極高的頻率切換速度復雜復雜l任意化特征加劇、細任意化特征加劇、細微特征豐富微特征豐富l輸出信號數(shù)目增加輸出信號數(shù)目增加信號源的發(fā)展趨勢信號源的發(fā)展趨勢VXI、PXI任意波形發(fā)生器任意波形發(fā)生器臺式任意波形發(fā)生器臺式任意波形發(fā)生器DDS的歷史及發(fā)展的歷史及發(fā)展1971

2、年，美國學者年，美國學者JTierncy，CMRader和和BGold提出了直接數(shù)字頻率合成（提出了直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術，它從相位概念出發(fā)直接合成所需波形技術，它從相位概念出發(fā)直接合成所需波形全數(shù)字控制、頻率分辨率高、切換速度快、切全數(shù)字控制、頻率分辨率高、切換速度快、切換時相位連續(xù)換時相位連續(xù)Analog 公司、公司、Qualcomm 公司和公司和Stanford 公司公司一系列性能優(yōu)良的一系列性能優(yōu)良的DDS 器件不斷出現(xiàn)器件不斷出現(xiàn), 工作頻工作頻率可達率可達GHz, 頻率分辨率可到頻率分辨率可到mHzDDS原理及主要問題原理及主要問題采樣時鐘采樣時鐘輸出輸出相位相位 累加器累

3、加器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 查找表查找表 數(shù)模數(shù)模 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 低通低通 濾波器濾波器 頻率頻率控制字控制字NNMD2osNKff 輸出頻率輸出頻率 理解：可以將正弦波形看作一個矢量，沿相位圓理解：可以將正弦波形看作一個矢量，沿相位圓轉(zhuǎn)動，相位圓對應正弦波一個周期的波形。波形轉(zhuǎn)動，相位圓對應正弦波一個周期的波形。波形中的每個采樣點對應相位圓上的一個相位點。中的每個采樣點對應相位圓上的一個相位點。 步進步進點數(shù)點數(shù)2564096655361048576167772164294967296281474976710656N8121620243248數(shù)字相位圓數(shù)字相位圓相位環(huán)相位環(huán)任意波形合成方法及主要問題任意

4、波形合成方法及主要問題采樣時鐘采樣時鐘輸出輸出相位相位 累加器累加器 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 查找表查找表 數(shù)模數(shù)模 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 低通低通 濾波器濾波器 頻率頻率控制字控制字NNMD提高采樣時鐘頻率提高采樣時鐘頻率提高輸出頻率提高輸出頻率增加存儲深度增加存儲深度波形細節(jié)描述、復現(xiàn)系統(tǒng)波形細節(jié)描述、復現(xiàn)系統(tǒng)改善輸出波形質(zhì)量改善輸出波形質(zhì)量輸出同步與相位控制輸出同步與相位控制提高采樣率提高采樣率可有效的實現(xiàn)可有效的實現(xiàn)DAC采樣頻率的倍增采樣頻率的倍增1、依靠高速器件依靠高速器件受器件限制，無法滿足日益增長的需求受器件限制，無法滿足日益增長的需求2、存儲器并行存儲器并行較好的解決了地址發(fā)生器、波形查找表的速較

5、好的解決了地址發(fā)生器、波形查找表的速度限制度限制3、多通道并行合成多通道并行合成1、依靠器件依靠器件增加復雜度與功耗、降低穩(wěn)定性增加復雜度與功耗、降低穩(wěn)定性2、壓縮算法壓縮算法有規(guī)律性、便于數(shù)學描述的波形有規(guī)律性、便于數(shù)學描述的波形3、無查找表結構無查找表結構迭代次數(shù)較多，速度較慢迭代次數(shù)較多，速度較慢4、序列合成序列合成針對有較多的重復片段的波形針對有較多的重復片段的波形5、計算機結合雙計算機結合雙RAM動態(tài)切換動態(tài)切換要求計算機傳要求計算機傳送數(shù)據(jù)速率遠高于輸出數(shù)據(jù)速率送數(shù)據(jù)速率遠高于輸出數(shù)據(jù)速率提高查找表存儲容量提高查找表存儲容量1 1、相位截斷誤差分析、驗證與改善、相位截斷誤差分析、驗

6、證與改善2 2、幅度量化誤差、幅度量化誤差 3 3、DACDAC保持、采樣特性誤差保持、采樣特性誤差 4 4、DACDAC非線性誤差非線性誤差 5 5、采樣時鐘誤差、采樣時鐘誤差 改善任意波形合成的誤差改善任意波形合成的誤差主要內(nèi)容任意波形合成方法及其采樣模型任意波形合成方法及其采樣模型基于并行存儲的任意波形合成方法基于并行存儲的任意波形合成方法基于并行插值的任意波形合成方法基于并行插值的任意波形合成方法 多多DDS并行合成方法并行合成方法保持系統(tǒng)保持系統(tǒng) x t pxt重構系統(tǒng)重構系統(tǒng) p t 0 xt y t 0h t h t地址發(fā)生器對波地址發(fā)生器對波形查找表的抽樣形查找表的抽樣數(shù)模轉(zhuǎn)換

7、器數(shù)模轉(zhuǎn)換器低通濾波器低通濾波器 001snXjwXj wnwHjwT 01snYjwXj wnwHjw HjwT 任意波形合成方法及采樣模型任意波形合成方法及采樣模型并行存儲的任意波形合成技術并行存儲的任意波形合成技術解決思路：解決思路：同步時序電路，輸出相位可預測。因此同步時序電路，輸出相位可預測。因此可在一個時鐘周期產(chǎn)生可在一個時鐘周期產(chǎn)生m個相位個相位/數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出,將時鐘頻將時鐘頻率降低為原來的率降低為原來的1/m目的：目的：解決累加器解決累加器(地址發(fā)生器地址發(fā)生器)、存儲器速度的限制、存儲器速度的限制高速并串轉(zhuǎn)高速并串轉(zhuǎn)換換相位相位 累加器累加器 相位相位 加法器加法器1 波

8、形波形 查找表查找表1 波形合成單元波形合成單元 DAC 相位相位 加法器加法器2 波形波形 查找表查找表2 相位相位 加法器加法器m 波形波形 查找表查找表m 1mK 0K m倍頻倍頻 smfsfmK2osNKfmf 輸出頻率輸出頻率 12ressNfmf 頻率分辨率頻率分辨率 輸出輸出 基于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術 時鐘信號時鐘信號 發(fā)生器發(fā)生器 DDSA DDSB 切換信號切換信號 控制控制 輸出輸出輸出時域波形輸出時域波形真插值任意波形合成技術真插值任意波形合成技術實現(xiàn)難點：實現(xiàn)難點：1、要求各信號之間具有嚴格的相位關系、要求各信號之間具有嚴格的相位關系

9、2、要求選擇開關控制信號的占空比嚴格為、要求選擇開關控制信號的占空比嚴格為50%選擇開關控制信號與兩路選擇開關控制信號與兩路DDSDDS輸出不同步輸出不同步選擇開關控制信號占空比不為選擇開關控制信號占空比不為5050基于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術 時鐘控制單元時鐘控制單元 DAC1RAM1累加器累加器1 加法器加法器 模擬通道模擬通道 DACmRAMm加法器加法器m 累加器累加器m mK 1mK mKDAC2 RAM2 加法器加法器2 累加器累加器2 KmKCLK1CLK2CLKmCLKDDS1DDS2DDSm輸出輸出偽插值任意波形合成技術偽插值任意波形合成技術基

10、于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術DDS1DDS1輸出輸出DDS2DDS2輸出輸出理想理想DDSDDS各路各路DDSDDS偽插值偽插值偽插值任意波形合成技術偽插值任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術 sonsoj wnmwmwmYjwHjwjTj wnmwmw 2(1)1RmjnsomnRsoj wnwmwYjweHjwjTj wnwmw傅立葉變換后疊加后得到輸出信號的頻譜傅立葉變換后疊加后得到輸出信號的頻譜 2(1)1(0RmjnmRmnmenm 為整數(shù)）復指數(shù)信號的正交性復指數(shù)信號的正交性 11sin 2*2RNnmnRkRy

11、ttnTh tm 單路單路DDSDDS輸出的時域表達式輸出的時域表達式基于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術00.511.522.5300.51第 一 路 DDS輸 出 信 號 頻 譜歸 一 化 頻 率 （ fo/fs）Y1(jw)00.511.522.53-0.500.5第 二 路 DDS輸 出 信 號 頻 譜歸 一 化 頻 率 （ fo/fs）Y2(jw)00.511.522.53-0.500.5第 三 路 DDS輸 出 信 號 頻 譜歸 一 化 頻 率 （ fo/fs）Y3(jw)00.511.522.5300.51三 路 DDS偽 插 值 合 成 輸 出 信 號

12、頻 譜歸 一 化 頻 率 （ fo/fs）Y(jw)基于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術輸出頻率為輸出頻率為80MHz80MHz的正弦信號頻譜的正弦信號頻譜諧波分量諧波分量基于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術輸出頻率為輸出頻率為200MHz200MHz的正弦信號頻譜的正弦信號頻譜輸出頻率輸出頻率200MHz，超出奈奎斯特頻率限制超出奈奎斯特頻率限制基于插值模式的任意波形合成技術基于插值模式的任意波形合成技術任意波形合成誤差及校正方法任意波形合成誤差及校正方法 時鐘控制單元時鐘控制單元 DAC1RAM1累加器累加器1 加法器加法器 模擬通道模擬通道

13、 DACmRAMm加法器加法器m累加器累加器mmK 1mK mKDAC2RAM2加法器加法器2累加器累加器2KmKCLK1CLK2CLKmCLK輸出輸出時鐘相位時鐘相位偏差誤差偏差誤差相位截斷相位截斷 幅度量化幅度量化 DACDAC誤差誤差 通道失配誤差通道失配誤差 1.誤差來源與誤差模型誤差來源與誤差模型研究內(nèi)容研究內(nèi)容 偽插值任意波形合成誤差及校正方法偽插值任意波形合成誤差及校正方法00.511.522.533.5400.10.20.30.40.50.60.70.80.91歸 一 化 頻 率（ fo/fs）相對幅度 正 常 采 樣 幅 頻 特 性偽 插 值 采 樣 幅 頻 特 性 輸出信號

14、幅頻特性不平坦輸出信號幅頻特性不平坦 輸出信號幅度過零點輸出信號幅度過零點 2.DAC保持特性與校正保持特性與校正誤差來源誤差來源：由于單位沖擊采樣無法實現(xiàn)，實際上由于單位沖擊采樣無法實現(xiàn)，實際上DAC常采用具有一定保持特性的函數(shù)來近似沖擊采樣常采用具有一定保持特性的函數(shù)來近似沖擊采樣 誤差影響：誤差影響：保持函數(shù)將影響合成信號的幅頻特性，保持函數(shù)將影響合成信號的幅頻特性，進而影響合成路數(shù)的提高進而影響合成路數(shù)的提高研究內(nèi)容研究內(nèi)容 偽插值任意波形合成誤差及校正方法偽插值任意波形合成誤差及校正方法00.511.522.533.5400.10.20.30.40.50.60.70.80.91歸 一

15、 化 頻 率 （ fo/fs）相對幅度 零 階 保 持 時 偽 插 值 信 號 幅 頻 特 性歸 零 保 持 時 偽 插 值 信 號 幅 頻 特 性2Tm 對對DACDAC保持特性的要求保持特性的要求: :2.DAC保持特性與校正保持特性與校正擴展合成路數(shù)擴展合成路數(shù)：可選擇具有更窄保持特性的：可選擇具有更窄保持特性的DAC研究內(nèi)容研究內(nèi)容 偽插值任意波形合成誤差及校正方法偽插值任意波形合成誤差及校正方法校正思路校正思路線性時不變系統(tǒng)，交換串聯(lián)模塊的線性時不變系統(tǒng)，交換串聯(lián)模塊的順序，不改變系統(tǒng)的響應順序，不改變系統(tǒng)的響應 地址產(chǎn)生地址產(chǎn)生 模塊模塊 波形波形查找表查找表DAC數(shù)模數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

16、轉(zhuǎn)換模塊幅頻校正幅頻校正模塊模塊 輸出輸出 軟件擬和軟件擬和只能實現(xiàn)點頻上的校正只能實現(xiàn)點頻上的校正模擬方法模擬方法校正難度較大，且重復性較差校正難度較大，且重復性較差傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法本方法本方法模擬校正變?yōu)閿?shù)字校正模擬校正變?yōu)閿?shù)字校正2.DAC保持特性與校正保持特性與校正幅頻特性補償幅頻特性補償研究內(nèi)容研究內(nèi)容 偽插值任意波形合成誤差及校正方法偽插值任意波形合成誤差及校正方法 時鐘控制單元時鐘控制單元 DAC1RAM1累加器累加器1 加法器加法器 模擬通道模擬通道 DACmRAMm加法器加法器m累加器累加器mmK 1mK mKDAC2RAM2加法器加法器2累加器累加器2KmKCLK1CLK2

17、CLKmCLKDDS1DDS2DDSm幅頻校正幅頻校正幅頻校正幅頻校正幅頻校正幅頻校正FIR數(shù)字濾波數(shù)字濾波2.DAC保持特性與校正保持特性與校正存放整個存放整個波形數(shù)據(jù)波形數(shù)據(jù)遺漏遺漏波形細節(jié)波形細節(jié)無失真無失真重現(xiàn)波形重現(xiàn)波形存放特征存放特征波形片段波形片段傳統(tǒng)傳統(tǒng)本技術本技術11lkklkkknn m相同波形質(zhì)量下存儲容量降低相同波形質(zhì)量下存儲容量降低 倍倍序列合成技術序列合成技術 段地址累加器段地址累加器 地址合成器地址合成器 波形查找表波形查找表 波形長度波形長度 存儲器存儲器 重復次數(shù)重復次數(shù) 存儲器存儲器 段個數(shù)段個數(shù) 存儲器存儲器 長度長度 計數(shù)器計數(shù)器 重復次數(shù)重復次數(shù) 計數(shù)器計數(shù)器 段個數(shù)段個數(shù) 計數(shù)器計數(shù)器 偏移地址偏移地址 發(fā)生器發(fā)生器 基地址基地址 發(fā)生器發(fā)生器 DAC DAC 可變時鐘發(fā)生器可變時鐘發(fā)生器存儲器單元存儲器單元計數(shù)器單元計數(shù)器單元地址發(fā)生器單元地址發(fā)生器單元knkmknkml序列合成技術序列合成技術序列合成技術序列合成技術主要功能指標主要功能