基于DSP的脉冲信号发生器

宋文恺

（武汉市江汉大学，湖北 武汉 430000）

基于DSP的脉冲信号发生器

宋文恺

（武汉市江汉大学，湖北 武汉 430000）

数字信号发生器是电子通讯领域常用的且必不可少的仪器。电子电路系统的稳定运行是功能实现的基础，信号发生器在整个系统的开发过程中起到了至关重要的作用。本文研究了当前的脉冲信号发射器系统的主流技术，综合行业经验和实际市场需求，以数字信号处理器DSP为核心，将高集成度和高精密的数字频率合成芯片与之结合，设计了一种研发周期短、技术指标过硬的脉冲信号发生器解决方案。

脉冲信号DSP数字频率合成

1 绪论

脉冲是自然界中最常见的信号，无论是雷电还是蜘蛛的捕食活动都包含了脉冲的信息。简单的事，脉冲指的是某一个物理信号经过段时间的运动又回到原来的状态的活动，脉冲的形成也是多种多样的，声音信号、电流信号、煤气燃烧等都具有脉冲信号的特性。在电子信息技术中，通常需要使用某种方法制造出脉冲信号，用来合成其他的信号源。

在工业、农业、生物医学等领域内，都需要功率大小不等、频率高低不等的脉冲信号发生器[1]。随着数字电子技术的高速发展，当前脉冲信号发生器大多使用DSP技术结合DDS进行信号发生器的开发。这种技术方案下的脉冲信号发生器稳定性高，同时能达到很好的精度，可以满足不同领域的需求，特别是关系到国计民生的通信、国防以及医疗等行业，基于DSP技术的脉冲信号发生器被广泛使用。

2 脉冲信号发生器介绍

2.1 脉冲信号发生器的种类

脉冲信号发生器是工业生产和科研中最常用的信号源仪器，其基本原理是依靠频率合成，采用数字信号芯片产生不同频率和幅值的信号。在电路的调试过程中，常用脉冲信号和正弦信号作为系统信号质量评估的方式。常见的脉冲信号发生器，可以调节生成幅度、占空比、周期在某些范围内自由控制的脉冲信号[2]。

随着数字技术的发展，脉冲信号发生器的生产和制作工艺、精度都越来越高，根据不同的标准，信号发生器的分类方式多种多样，但是最基本的分类方式主要有以下三种:

（1）根据脉冲信号发生器的输出信号不同，可以将其划分为逻辑源和混合源两种。

（2）脉冲信号发生器的触发方式有内触发和外触发两种，按照这个区别，将其分为内/外触发型脉冲信号发生器。

（3）根据不同的应用环境，脉冲信号发生器的功率是不同的，依据功率大小的差异，将信号发生器分为小功率和大功率两种。

当然，在其他的使用条件或者生产技术中，脉冲信号发生器的分类还有很多种，这里不做探讨。

2.2 国内外研究现状

因为脉冲信号发生器巨大的科研价值和市场需求，国外有大量的企业和机构很早便投入了对它的研发并取得和一系列成果。美国的惠普公司生产的HP8116A脉冲信号发生器在技术上较为领先，市场地位稳固。GLOBAL SPECIALTIES研发的4001系列，是一种应用也十分广泛的可控脉冲信号发生器[3]。

图1 国外研发的知名脉冲信号发生器产品

国内知名的脉冲信号发生器厂家中，AFG3000系列任意函数发生器是西域科技研发生产的，跟它类似的产品有嘉兆公司研发的Wonder Wave系列产品。此外，较为知名的脉冲发生器厂家还有南峰公司和宁波中策公司。

图2 国内研发的知名脉冲信号发生器产品

3 脉冲信号发生器设计方案

3.1 总体设计方案

DSP技术在数字信号处理中因其高速的处理器和内部强大的硬件乘法器、DMA控制器等资源而广泛使用。在信号发生器研发领域，DSP芯片和数字频率合成技术的配合，使得数字信号生成的精度、速度不断提高，而研发难度却在降低[6]。

根据行业经验和现在的技术手段，采用DSP+DDS芯片的设计方案，可以短期内开发出性能卓越的脉冲信号发生器[4]。本设计经过综合考量，结合实际情况而采用了DSP主控芯片结合DDS芯片作为信号发生器系统的硬件其础。

3.2 DSP芯片选型

TI公司推出的众多DSP芯片中，TMS320系列拥有256MB的存储空间，并且数据传输率最高可到923Mbps，可以胜任信号发生器中的高速任务处理。TMS320C6713片内寄存器、锁存器等资源丰富，配置灵活，可以依靠片内的大量RAM资源达到高速的并行计算，可以在很低的成本下实现与DDS芯片的软硬件匹配使用。

3.3 DDS芯片选型

DDS芯片是数字信号发生器的核心计算单元。由于对信号实时性和精度的高要求，选用了AD公司的具有两路正交D/A转换器的AD9854芯片产品，能高效率的将频率合成输出。AD9854可以输出高达150MHz的数字FM信号，能够输出高质量的正弦信号、PSK、FSK、CHIRP信号等，满足脉冲信号发生器的研发需求[5]。

4 脉冲信号发生器设计实现

基于DSP和DDS的信号发生器，硬件结构简单，研发周期可以大大缩短，核心模块主要包含:信号采集和转换模块、DSP主控单元模块、USB数据传输模块、脉冲信号生成单元模块。

图3 总体设计结构框图

下面主要介绍脉冲信号发生器的核心单元的设计规则。

4.1 频率合成芯片使用

AD9854接口具有并行和穿行两种工作方式。采用并行Parallel传输方式的效果是信号速率快，但是设计使用较为繁琐，如果采用串行GPIF模式，信号带宽会有所降低，但是这种方式下硬件连接和设计都比较简单。设计时候可以依据需求自由配置。当DDS芯片AD9854的S/P引脚被拉低时，硬件将会选择串行的GPIF模式工作；相反的情况下，芯片被选中工作在并行数据传输模式下，此时地址线和数据线的数量都比串行方式多，工作效率相应的提高了很多。在这种模式下，DDS芯片的能以100MHz的工作频率进行双向传输。

4.2 DSP与DDS的连接

在高速信号处理过程中，信号的传输质量始终关系到整个系统的运行。采用高速差分信号传输，是一种抗共模干扰能力很强的新型数据传输方案。LVDS是满足DDS和DSP之间高速高效数据传输的常见的差分接口，在脉冲信号发生器中使用能够对信号的质量起到很好的保护作用。图4是DSP与DDS芯片的接口设计图，其中使用了LVDS的模数转化器。LVDS规定了驱动器和接收器的电气特性。使用LVDS的模数转化器，不仅可以保证其高性能的转化，并且能够实现高速数据传输，这是决定脉冲信号发生器的关键因素。

图4 DSP与DDS芯片的接口设计图

4.3 电源管理电路设计

数字电路的稳定工作需要考虑很多的系统内干扰，而电源管理在数字信号处理系统中起到了尤为重要的作用。特别是信号发生器中，需要对不同的芯片供电进行隔离和逻辑判断。采用TI公司的高效LDO电源管理芯片是一个合理的解决方案。通过主电源分离除不同的端口，驱动对用的电源芯片，设置不同的电源引脚，分别提供给DSP芯片、DDS芯片、USB芯片等工作[7]。这样不仅隔离了不同电压的需求，互不干扰，同时不影响信号的高质量传输。

图5 电源管理电路设计图

5 脉冲信号发生器功能验证

下面是对脉冲信号发生器的性能检验过程，具体的实施步骤为，设定标准输入信号的幅值和频率，固定为3V/2MHz，便于对信号的质量进行对比。信号波形设定为依次锯齿波、三角波、方波和指数波[8]。分别得到各种不同信号源测试情况下的输出波形，将信号存储并传输至计算机级逆行分析，对脉冲信号发生器的性能进行评价。从得到的结果来看，对锯齿上升沿信号的处理优于下降沿，下降沿信号出现了显著的过冲，对三角波信号的处理比较令人满意，上升沿指数波的波形也基本达标，而方波则出现了较为明显的振铃现象。

图6 信号发生器波形输出图

6 结语

根据实际检验，本脉冲信号发生器基本达到了设计的初衷，但是在某些环境下，还存在有亟需解决的问题。在下一个阶段的工作中，信号的振铃振荡和过冲问题需要通过算法的优化，增加合适的滤波器进行纠正。同时，这些算法要保证对正常脉冲信号发生的隔离，而不能造成信号质量的下降。

[1]梁睿.基于DSP和DDS的信号发生器硬件设计及可靠性研究[D].武汉理工大学,2012.

[2]王晓光.基于DSP的DDS信号发生器[D].吉林大学,2006.

[3]庄海军.数字函数信号发生器的设计与实现[D].江南大学, 2008.

[4]刘剑科,王艳芬,王胜利.基于DSP的信号发生器的设计与实现[J].现代电子技术,2005,16:126-128.

[5]刘金亮.直接数字频率合成技术实现研究[D].北京交通大学,2008.

[6]孙素平.基于DDS技术信号发生器的研究与设计[D].哈尔滨工业大学,2010.

[7]Chen Y J,Zhang Y H,Ying G W.Design of Temperature Control System Based on DSP and Fuzzy Neural Network[J]. Advanced Materials Research,2013,823:384-387.

[8]姚琪,范晓畑.50MHZ脉冲信号发生器的原理与调试[J].电子技术与软件工程,2015,3:084.