相位可控多通道任意波形信号源卡设计

刘 鑫， 任勇峰,储成群,方 炜，郑永秋

(1．中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2．太原科技大学电子信息工程学院，山西太原 030024)



相位可控多通道任意波形信号源卡设计

刘 鑫1,2， 任勇峰1,储成群1,方 炜1，郑永秋1

(1．中北大学，电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2．太原科技大学电子信息工程学院，山西太原 030024)

在遥感测试系统中，模拟信号发生器用于模拟动态测试环境下不同传感器输出信号和在存储器、采编器调试时提供标准信号，从而进行设备测试或数据分析。设计采用“FPGA(DDS相位控制)+单片DAC+多路模拟开关阵列”的方法实现32路任意波形输出。上位机软件中设置波形的幅值、频率、相位等信息，通过FPGA对参数控制字进行检测，改变对应通道的模拟开关导通状态，从而实现对输出波形通道间相位差的任意控制。

多通道；任意波形发生；相位控制字；相位差

0 引言

采编器是测试飞行体在多物理场动态信号测试过程中涉及到压力、噪声、动应力等众多动态测试传感器信号的放大调理、数据采集系统。在遥感测试系统中模拟信号源发生器用于模拟仿真各种传感器输出信号和在存储器、采编器调试时提供标准信号，从而进行设备测试或数据分析[1]。此外，在水声、雷达、导航、航空、电子对抗及动态测试系统中有广泛应用。文献[2]阐述了在非定常现象压气机的动态测试分析中对压力脉动、温度、噪声、轴向力、叶片动应力等动态信号进行了同步测试和关联分析，实现了多物理信号的时间同步测试，为分析压气机非定常流动导致的故障提供了必要的实验测试手段。DDFS 技术是从相位的概念出发进行频率合成，通过相位累加、幅度查表以及数模转换来产生所需要的模拟信号。DDS的实现形式包括：直接频率合成(DDFS)、直接数字波形存储(DDWS)以及基于DDS专用芯片3种方法[3]。目前常用的信号源模拟系统通常采用专用的DDS芯片，只能在固定的工作方式下使用。由于输出信源波形单一、参数固定、通道数量有限，因此无法满足航天遥测系统中对多传感器参数进行实时测试的设计要求。文献[4]使用FPGA作为I,Q正交模拟信号源板卡核心控制单元实现DDS技术，可以根据设备的测试需要简化硬件电路设计及控制方法，提高整个系统的性能和可靠性。

在一些应用场合中，不仅需要多路信号同时输出，还要求输出的多路信号保持一定的相位关系。文献[5]介绍了一种通过相位调节控制字实现通道相位差的双通道任意波形发生器的设计方法。文献[6]采用FPGA+RAM+DAC的结构提出了一种双通道内嵌相位校准模块的波形发生器设计方法，实现对通道间相位的精确控制。若采用这种方法实现多通道相位可调信号发生器必然增大了硬件设计的复杂度和系统功耗，难以满足航天测控领域中对设备提出的高集成度、低成本、小型化的设计要求。

1 多通道信源发生方法及电路设计

设计采用FPGA作为控制核心，与上位机交互采用PCI总线接口芯片PLX9054。硬件电路采用“FPGA(DDS相位控制)+单片DAC+多路模拟开关阵列”的方法实现，该方法减小了系统由多片DAC实现多通道输出而造成的硬件成本开销，具有体积小、集成度高、开发周期短、兼容工业计算机和PCI总线协议的优点。

1．1 系统结构

本文研究多通道相位可控信号源是对多通道动态测试采编器进行测试及标定的设备。信号源各通道参数可以相互独立设置波形、幅值、频率及相位，除了可以对多通道采编器进行线性度标定外，还可以测试采编电路中各个通道之间的串扰[7]。为了保证采编器的精度要求，使整个设备安全稳定运行，并为采编器维护提供依据，信号源的功能要求如下：(1)输出波形：正弦波，方波，三角波，锯齿波，直流；(2)直流电压精度：0．1%；(3)输出幅值：-1～+7 V;(4)单板模拟通道：32；(5)输出频率：0～100 Hz；(6)DAC分辨率：16位。

上位机通过软件将波形编码数据格式按照采样顺序通过PCI接口存储在高速CMOS SRAM中。当输出模拟信号时，通过采样时钟计数值高速寻址SRAM，读出存储数据，并对数据进行分析，波形数据经高速D/A转换后再经过信号调理电路送入高速模拟开关阵列实现32通道模拟输出。系统原理框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1．2 硬件单元设计

1．2．1 PCI接口电路设计

基于PCI总线的计算机可以通过PCI桥接芯片PCI9054实现接口高速数据传输，当系统引入33 MHz时钟，采用32位数据总线宽度时，数据传输速率可达到132 MB/s。PCI9054可以配置为C模式下的从方式完成对本地总线指令的下发；也可以配置为DMA方式，实现本地总线与计算机内存的高速直接访问。设计中上位机生成对板卡的指令控制由从方式实现；波形数据的下发则采用DMA方式实现。PCI接口电路原理图如图2所示。

1．2．2 DAC转换电路设计

DAC选用16位高速AD768数模转换芯片。AD768最高转换速率达到30MSPS，该DAC能够满足通信、仪表控制领域的波形重建及信号合成应用要求。AD768采用±5 V供电，典型功耗465 mW，属于电流输出型DAC．25 ns的快速建立时间，最快可支持40 MSPS，片内产生2．5 V基准电压，具有极高的动态性能。

FPGA将上位机下发的波形数据从高速SRAM中读出送入到DAC的数字输入端，DAC转化后的差分输出电流经I-V转换电路，多级运算放大器构成的信号调理电路输出幅度为-1．25～7．25 V模拟信号。DAC转换电路原理图如图3所示。

图3中，AD768输入16位数字量，管脚IOUTA、 IOUTB为差分输出电流，经过AD811进行差分放大。

U1=-2.5～+2.5 V

(1)

(2)

图2 PCI接口电路原理图

图3 DAC转换电路原理图

UOUT=2U3-U2

(3)

式中

理论计算UOUT的输出范围为-1．25～+7．25 V。由于电路中的电阻元件存在容差，采用上位机线性标定的方法，使模拟输出范围限制在-1～+7 V。

1．2．3 保持电路及通道切换

单块信号源板卡可以实现32路模拟信号输出。为实现小体积多通道模拟信源，板卡采用8路模拟开关ADG1206构成的输出开关阵列及后置的保持电路把高速DAC转换的模拟信源分时切换到相应的通道。

2 模拟信号发生时序设计

时序控制逻辑是整个信号源发生器的控制核心，上位机发起启动指令，系统将自动控制波形数据读取、D/A转换和模拟开关切换过程连续有序地高速进行。

2．1 FPGA模拟输出时序

系统中采用一片DAC在时序逻辑控制下分时完成各模拟通道的切换和保持。FPGA内集成高速缓存用于缓存上位机通过PCI接口下发的波形数据再写入SRAM中。启动输出，高速DAC转换的数字量在时序控制下依次从SRAM中读取送入DAC的数字输入端。采样保持和通道选通逻辑由采样保持电路、多路模拟开关及地址发生逻辑构成。它在FPGA的控制下实现对模拟输出信号的同步保持，并依次选通各通道开关送至32路输出接口电路。上位机通过下发指令完成对时序逻辑的初始化、启动及停止操作。时序控制结构图如图4所示。

图4 波形发生时序控制流程图

上位机将波形数据送至PCI接口，FPGA启动DMA访问机制将接口数据写入到SRAM中。当软件发出启动指令后从SRAM中读出波形数据及参数控制字，经FPGA译码后，根据上位机下发的波形参数中的频率及相位控制字信息控制DAC的启动及模拟开关通道的切换速度及使能选择。为避免多通道模拟输出之间发生串扰，在逻辑控制中采用“转换—调理—使能—通道选通”的时序控制方法。

2．2 多通道模拟信号参数控制方法

波形的幅值、频率、相位参数控制信息由上位机软件设置，如图5所示。当设置波形为直流时，只有幅值信息有效；当输入波形为正弦波、三角波、锯齿波时，幅值、频率、相位参数输入有效；当输出波形为方波时，幅值、频率、相位、占空比参数信息都有效。上位机把设置波形的周期采样点数据通过PCI总线的DMA方式下发到板卡上的SRAM中。当上位机发出启动信号源输出指令后，板卡输出32路模拟信号。

图5 上位机软件波形设置界面

下发数据中前640 KB为32路波形数据采样值，其中，奇数单元为设置模拟波形采样点数据，偶数单元数字量为0000H，帧格式如图6所示。下发数据中后96B为参数控制字，每3个字节表示一路波形参数。其中，第一个字节表示对应波形的频率信息，输入范围为0～100 Hz；第二个字节表示对应波形的相位信息，输入范围为0～360；第三个字节为方波的占空比信息，输入范围0～100。参数控制字中，每个字节前两位数据A7A6用于区分波形形状，后6位为对应参数数据，如图6所示。

FPGA检测到上位机下发的波形相位参数后，通过计数器的计数值控制对应通道的模拟开关ADG333的通道切换状态。计数值标志位为无效状态时，输出奇数通道0000H对应模拟值；计数值有效时输出偶数通道经AD768转换后的模拟输出值，从而实现对应相位控制。电路图如图7所示。

图6 下发波形数据格式

图7 模拟开关切换实现相位控制

图7中，CH0，CH1，CH2,CH3为设置32路模拟输出前4路。当相位控制标志位有效后，ADG333通道选择端IN0，IN1，IN2，IN3分别赋值高电平‘1’，使得对应V0,V2，V4，V6通道输出，经一阶RC低通滤波、跟随后输出。

3 试验结果

图8为信号源输出0～5 V实测波形。其中图8(a)图选取了输出频率为5 Hz，相邻通道相位差为90°正弦波，图8(b)图显示输出频率为90 Hz，相邻通道相位差为45°方波。从图8中可以看出信源波形光滑，频率输出稳定。标定后某三个通道输出直流信号幅值用高精度万用表(Agilent 34410A)测试如表1所示。上位机分别设置信源输出直流电压为-1 V、1 V、2 V、3 V、5 V、7 V,测试通道CH0，CH1，CH2的模拟输出电压如表1所示。由表1可以看出直流输出精度小于1‰，满足设计要求。

表1 信号源直流标定实测输出电压及通道输出精度

4 结论

通过在单板上用“FPGA+单片DAC+模拟开关阵列”为框架的模块化硬件电路设计，同时配以相应的外围电路，构成单板多通道模拟信号源输出系统，实现了多种波形的幅值、频率、相位等参数的灵活控制。具有输出波形平滑，频率、相位稳定，分辨率高等特点。为多通道采编系统的地面试验提供了准确的测试依据。

(a)输出频率5 Hz，相位差为90°正弦波

(b)输出频率90 Hz，相位差为45°方波图8 信源卡输出实测波形

[1] 张东，朱家富．虚拟仪器在传感器动态特性标定中的应用．仪表技术与传感器,2010(5):29-30．

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Design of Multi-channels Controllable Phase Arbitrary Waveform Signal Generator

LIU Xin1,2,REN Yong-feng1,CHU Cheng-qun1,FANG Wei1,ZHENG Yong-qiu1

(1 National Key Laboratory for Electronic Measurement and Technology，North University of China,Taiyuan 030051，China;2 Department of Electrical Information,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024，China)

In remote sensing system,analog signal generator is used to simulate output signals of different sensors under the dynamic test environment,and it also can provide standard signals to test equipment and analyze data．This device adopted the method of “FPGA(DDS phase control) + one chip DAC + multi-channel analog switch array” to realize 32 channels arbitrary waveform output．The waveform amplitude,frequency,phase and other information were set in PC software．By detecting the parameter control word in FPGA,the corresponding analog switch conducting state was changed to achieve the arbitrary controlling of phase difference among channels．

multi-channel;arbitrary waveform generate;phase control word;phase difference

国家自然科学基金资助项目(61178058)

2014-03-25 收修改稿日期：2014-10-16

TP274

A

1002-1841(2015)03-0039-04

刘鑫(1982—)，讲师，博士研究生，主要从事数据采集及传感器测试方面的研究。E-mail：omol66@163．com 任勇峰(1968—)，博士生导师，主要从事高速大容量数据采集与处理方面的研究。E-mail：renyongfeng@nuc．edu