基于DDS技术的多路电气隔离程控信号源

李嘉楠，谢雪松，张小玲，陈　君，哈　悦

（北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124）

基于DDS技术的多路电气隔离程控信号源

李嘉楠，谢雪松，张小玲，陈君，哈悦

（北京工业大学 电子信息与控制工程学院，北京 100124）

为了解决实际军工测试中需要遥测多达几百路的被测信号来完成对遥测信号的调理和动态校准，基于直接数字频率合成技术(DDS)设计了一种多路电气隔离型的程控信号源，为遥测系统提供模拟激励信号。用户通过上位机人机交互界面完成对下位机模拟激励信号源的参数设置，经485总线通信使下位机自动产生多种波形，最多实现128路相互电气隔离通道中的一路或多路独立输出。信号源的频率范围为 0～8 kHz，波形幅值能达到 70 VP-P，精度达到±0.2%FS，具有高精度及多用途性，应用前景广泛。

直接数字频率合成；模拟激励信号；电气隔离；485通信总线

0　引言

程控信号源作为遥测测试系统的一个重要组成，主要用来为测试系统提供模拟激励信号给被测模块。信号源无论是在教学、科研还是在部队技术保障中，都有着广泛的使用[1]。目前现有的信号源发生装置存在模拟信号源少、信号精度较低的缺点，这给测试人员对遥测系统进行信号精度校准带来了困难。根据直接数字频率合成(Direct Digital frequency Synthesis，DDS)技术的特点将其应用于信号源系统中能显著提高信号源的分辨率且降低研发成本。因此采用DDS技术设计一套多路相互电气隔离的高精度程控信号源具有很大的实用价值和研究意义。

为提高某军工单位测试研发效率，本文基于FPGA设计并实现了一种至多128路输出的相互电气隔离的多种波形高精度程控信号源系统，该系统达到了±0.2%FS的高精度，大大缩短了遥测校准信号精度的测试时间。

1　系统整体架构

本系统采用型号为 EP2C20F484C8的FPGA芯片作为核心处理芯片，利用DDS芯片DAC902制作信号发生模块，系统整体架构如图1所示。系统可分为上位工控机与下位机DDS信号源板卡,上下位机之间通过485总线实现数据传输。本系统将128路信号分成16个信源，每个信源的8路信号集成在一个DDS板卡中，不仅拥有独立的电源和参考地，还采用磁耦芯片ADUM1412来确保每路信号之间的电气隔离。每块板卡上的8路信号通过继电器开关矩阵进行信号的扩展切换。系统工作时DDS模块首先经由DAC902芯片产生低压模拟信号，经差分放大电路放大幅值后进入到后端滤波放大电路进行去除量化噪声和进一步调理放大，最终得到单路模拟激励信号。在电路设计的关键部位均采用高精度电阻来保证转换精度和增益精度满足系统指标。整个信号源系统通过DC-DC电源模块供电，电源模块为信号源系统提供+5 V、+12 V以及±15 V的电源。

本信号源系统可以产生频率范围为0～8 kHz、幅值范围为-35 V～+35 V的正弦波、三角波、上升锯齿波、下降锯齿波、直流电平和占空比可调的方波，所生成的波形可从至多128路中的任意一路或多路相互电气隔离的通道并行输出，信号输出的幅值精度为±0.2%FS。

图1　程控信号源系统框架示意图

2　信号源硬件设计

2.1DDS的工作原理

频率合成技术先后经历了直接模拟式、间接锁相式(PLL)、直接数字式(DDS)3个发展阶段[2-3]。DDS的主要思想是从相位的概念出发合成所需要的波形[4-5]。图2为DDS原理框图。

图2　DDS基本结构

N位累加器在时钟fc的控制下以步长K进行累加，输出的N二进制码与相位控制字P相加后的结果作为波形存储器ROM的地址，然后对ROM进行寻址后输出D位的幅度码S(n)，经过D/A转换器后变成阶梯波n(t)，最后通过低通滤波器处理后得到所合成的波形信号。

DDS技术的核心思想即在频率控制字的控制下，将离散波形数据转换成一定频率的连续模拟信号。输出频率与频率控制字及参考时钟的关系可用式(1)表示[6]：

式中 f0为输出频率，K是频率控制字，N为一正整数，fc为时钟频率。

从式(1)中可以看出，当K=1时，DDS模拟信号输出最低频率（即频率分辨率）为 fc/2N，而 DDS模拟信号的最大输出频率则由 Nyquist采样定理决定，即 fc/2，也就是说K的最大值为2N-1。当N的值固定时，只需改变K的取值，就可以改变输出波形的频率[7]。通常情况下 fc为系统时钟，所以频率分辨率就只取决于N的取值。本系统中，为了提高系统的频率分辨率，N的取值固定为32，系统参考时钟fc选为100 MHz，经计算本系统的频率分辨率约为0.023 2 Hz。

2.2FPGA主控模块

本系统中，为了使相位和波形存储器的地址能相互对应，在折中的方式上选择截取相位寄存器结果中的高12位数据作为存储器寻址地址，这样既节省 FPGA片上资源，又可以保证波形精度。

2.3D/A转换单元设计

经由12 bit精度的DDS芯片DAC902产生的初级低压模拟信号会输出至差分放大电路进行幅值放大，差分电路的结构图如图3所示。

在此结构中，Uin=IOUT+×R25-IOUT-×R26=0.01×25-(-0.01× 25)=0.5 V，差分放大电路的后端是个负反馈电路结构，，所以经 D/A转换电路差分放大后输出的波形峰值为5 V。电路图中所示的电阻 R4、R5、R7、R23、R25、R26均采用高精度电阻以保证最终的信号输出精度。

2.4滤波放大电路

在滤波放大部分，采用OP07芯片搭建的低通滤波器结构作为前端运放模块进行模拟信号的初级调理，输出后的信号再作为后端共射电路的输入进行电压放大。在本系统中，低通滤波器的选择上采用二阶巴特沃斯低通滤波器以获得最大的平坦幅度效应，同时解决由截取相位寄存器高12位数据作为存储器寻址地址所带来的量化噪声。滤波放大电路原理图如图4所示。

滤波方面考虑到设计的简便性，结构上选用等容、等阻的设计方法，即令R12=R13=R，C7=C8=C。则一般的传递函数可由式(2)表示：

图4　滤波放大电路结构图

在功放方面，采用互补推挽结构功率输出级的结构，由运放输出的小电流信号经OP07后输出，再经过后端的共射电路进行电压放大。反馈电阻R13两端并联330 pF电容C1，这样能防止自激震荡的发生。电路中上下对称的两个共射电路可以相互认为是恒流源。在集电极部分采用的是UBE倍增电路来确保晶体管保持静态导通，防止波形发生交越失真。

考虑到电路中元器件需要承受较高电压，所以系统中功放模块设计了分立三极管与集成功放共同工作的放大电路。这里的集成功放芯片采用OP07芯片,NPN三极管采用2SC3298,PNP三极管采用2SC1306。

2.5波形ROM的实现

在本设计中，相位累加器输出的高12位数据作为波形ROM的采样地址，进行波形的相位与幅值转换。12位的寻址ROM相当于把0°～360°的模拟信号离散成具有 212=4 096个采样值的序列，则 4 096个采样值的幅度以12位的二进制数值固化在ROM中，按照地址的不同可以输出相应的信号幅度。

波形采样值通过特定的波形数据转换软件将6种不同的波形相应转换成6组对应的4 096个波形数据写入.c文件中，然后定制 FPGA内部集成 IP Core实现波形ROM的功能。以上一级相位累加器所得相位结果作为波形ROM的地址，进而将输出波形采样点的二进制量化值传给D/A转换器作数模转化。每次程序解包完成后，下位机会根据用户需要配置的波形把SRAM中相应波形的4 096个波形数据取出，4 096个波形数据取出会被放置在FPGA芯片上的ram_onchip中经D/A转换电路进一步把数据转换成相对应的模拟信号。

3　信号源软件设计

3.1下位机软件

下位机软件实现的功能是接收上位机通过485总线发送的配置指令数据包，根据制定好的通信协议按照相应的算法对数据包进行解析后比对CRC校验码和下位机板卡ID，并将有效的参数配置指令发送给对应ID号的DDS板卡，进而实现对16块下位机DDS板卡的并行操作。下位机软件的流程图如图5所示。

图5　下位机软件流程图

3.2上位机软件

本系统中，上位机软件的功能是通过界面的方式记录用户对DDS信号源系统的配置需求，将需求进行汇总并按之前指定的通信协议打成数据包向下位机发送相应的串口指令。上位机软件基于C#开发环境进行界面的搭建和代码编写。用户在使用上位机软件时只需在界面上选择需要配置的波形、频率、幅值和占空比(方波)，并同时在界面中打开需要配置的通道号后点击确定，就可以通过上位机控制信号源从128个通道中的一路或多路输出所需波形。

4　实验结果

本信号源系统的输出波形实测如图6～图9所示，根据用户所选波形种类、输出频率、电压幅值的不同，从图中可以观察到系统输出的各种波形光滑且信号干扰小，频率稳定度高。

图6　占空比50%的方波

图7　占空比80%的方波

图8　三角波

图9　正弦波

测试系统精度时，用户从上位机配置界面输入0～70 Vp-p范围内需要的频率和幅值，当信号源系统响应后通过高精度数字万用表对输出信号的幅值进行实时测量并计算出实际的幅值精度，表1为具体测试中实测的不同信号频率下输出幅值精度，信号的输出经测量满足设计时±0.2%FS的精度需求。

表1　实测输出信号幅值精度

5　结论

本文设计并实现了一种多路电气隔离的高精度程控信号源，经实验验证如下：

(1)本系统可实现 0～8 kHz宽频带、0～70 VP-P高幅值范围、多种波形可选至多128路电气隔离的模拟激励信号源并行独立输出。

(2)本系统输出信号幅值精度经实测在 0～8 kHz宽频率范围内达到±0.2%FS，具有很高的可靠性。

(3)本系统采用的独立电源和参考地与磁耦芯片结合的电气隔离方法在实际应用中效果良好。

(4)本系统的用户配置直接通过上位机软件实现，系统可应用在对自动化程度要求较高的环境中。

[1]张静，李延军，刘长茂，等.基于 DDS的高分辨率信号源发生器的实现[J].现代电子技术，2014(12)：4-5.

[2]汉泽西，张海飞，王文渤，等.基于 DDS技术正弦波信号发生器的设计[J].电子测试，2009(8)：65-69.

[3]刘书萌.遥测模块自动测试系统的程控信号源设计[D].北京：北京工业大学.2012.

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[6]邓岳平，肖铁军.基于 FPGA的并行 DDS信号发生器的设计与实现[J].计算机工程与技术，2011，32(7)：2319-2323.

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[8]欧麦高德.硬盘接口技术的发展过程简述[J].电脑知识与技术，2007(4)：60.

A programmable multi-routing electrical isolated signal generation system based on DDS technology

Li Jianan，Xie Xuesong，Zhang Xiaoling，Chen Jun，Ha Yue
(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

To complete condition and dynamic calibration for the telemetry signal,the military needs to telemetry hundreds of measured signal.Purpose to provide an excitation analog signal source,a programmable multi-channel and electrical isolated source system based on DDS technology has been presented in this paper.User can use the interactive interface of the host-computer to set the parameter of the analog excitation signal system,the lower-computer will automatically generates the appropriate waveform according to the set via 485 bus,then independently outputs through 128 electrical isolation channels at most.The result shows that frequency range of the signal source is 0～8 kHz,the amplitude of the waveform can achieve 70 VP-P,±0.2%FS accuracy. The whole system has high accuracy and versatility,broad application prospect.

direct digital frequency synthesis(DDS)；excitation analog signal source；electrical isolation；485 bus

TN741

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.02.014

2015-10-27)

李嘉楠(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统应用研究、集成电路设计与应用。

谢雪松(1970-)，男，博士，副教授，主要研究方向：微电子器件可靠性及嵌入式系统研究。

张小玲(1972-)，女，博士，副教授，主要研究方向：集成电路和半导体器件可靠性。

中文引用格式：李嘉楠，谢雪松，张小玲，等.基于 DDS技术的多路电气隔离程控信号源[J].电子技术应用，2016，42 (2)：53-56.

英文引用格式：Li Jianan，Xie Xuesong，Zhang Xiaoling，et al.A programmable multi-routing electrical isolated signal generation system based on DDS technology[J].Application of Electronic Technique，2016，42(2)：53-56.