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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 500MSPS任意波形發(fā)生器
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 500MSPS任意波形發(fā)生器是電子科技大學(xué)三位本科生利用課余時(shí)間花費(fèi)兩年時(shí)間在老師的悉心指導(dǎo)下設(shè)計(jì)制作成功的。通過“FPGA+RAM+DAC”結(jié)構(gòu)自行設(shè)計(jì)DDS波形合成模塊，采用4片存儲(chǔ)器并行，結(jié)合并串轉(zhuǎn)換技術(shù)，合成500MSPS的任意波形，輸出信號(hào)最高頻率可達(dá)200MHz。相比于國(guó)外強(qiáng)勢(shì)品牌的任意波形發(fā)生器，該作品不僅在各項(xiàng)性能指標(biāo)上相當(dāng)，而且具有更低的成本，更加合乎現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的需求。
- 詳細(xì)介紹：
- 任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）是近年來(lái)飛速發(fā)展起來(lái)的一類通用信號(hào)源。與傳統(tǒng)信號(hào)源相比，任意波形發(fā)生器的最大優(yōu)勢(shì)在于其產(chǎn)生信號(hào)的方式靈活。它不僅能產(chǎn)生正弦波、方波等標(biāo)準(zhǔn)波形，同時(shí)具有輸出頻率穩(wěn)定度和分辨率高，頻率切換速度快，并且切換時(shí)輸出波形相位連續(xù)等優(yōu)點(diǎn)，而且可以根據(jù)用戶的測(cè)試需求仿真被測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際條件運(yùn)行時(shí)所遇到的“真實(shí)世界”信號(hào)，生成任意波形激勵(lì)信號(hào)。 從任意波形合成技術(shù)上來(lái)看，占主導(dǎo)地位的是美國(guó)Tektronix公司和Agilent公司，其任意波形合成技術(shù)十分成熟，產(chǎn)品多為利用專用集成電路芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，采樣率已經(jīng)高達(dá)24GSPS，最高輸出信號(hào)帶寬為9.6GHz。我國(guó)研制任意波形發(fā)生器是從90年代開始的，受芯片條件制約以及國(guó)外的技術(shù)封鎖，所形成的產(chǎn)品的功能指標(biāo)不高。如南京盛普儀器科技有限公司的F120型任意波形發(fā)生器的采樣率為300MSPS，任意波輸出帶寬為100kHz。北京普源精儀公司的DG3121A任意波形發(fā)生器的采樣率為300MSPS，任意波輸出帶寬為100MHz。且目前國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品采用單片機(jī)等作為主控芯片，不運(yùn)行操作系統(tǒng)，只有簡(jiǎn)單的人機(jī)界面。波形合成部分主要利用單片DDS芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，最高采樣率，輸出信號(hào)帶寬等指標(biāo)無(wú)法進(jìn)一步提高，同時(shí)任意波形的存儲(chǔ)和編輯都受到很大限制，無(wú)法產(chǎn)生高速任意波形。 面對(duì)這樣的情況，為了打破國(guó)外企業(yè)在技術(shù)上的壟斷，在電子測(cè)試儀器市場(chǎng)上與國(guó)外品牌爭(zhēng)奪一席之地，促進(jìn)民族技術(shù)的發(fā)展，樹立民族品牌，提供合乎市場(chǎng)需求的產(chǎn)品，于是發(fā)明了該作品。 任意波形合成技術(shù)是本作品的重點(diǎn)，其實(shí)質(zhì)是如何根據(jù)用戶的需要產(chǎn)生波形信號(hào)，以及在波形確定的情況下如何通過參考頻率源產(chǎn)生頻率可變的波形。由于傳統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生方式難以涵蓋測(cè)試所需的各種復(fù)雜波形，數(shù)字取樣技術(shù)成為任意波形合成方法不可替代的選擇，其核心是直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技術(shù)。本作品通過并行存儲(chǔ)任意波形合成方法，突破器件速度限制，克服商用DDS芯片僅能產(chǎn)生正弦信號(hào)的缺點(diǎn)，采用4片存儲(chǔ)器并行的方式合成任意波形。 本作品通過“FPGA+RAM+DAC”結(jié)構(gòu)自行設(shè)計(jì)DDS波形合成模塊，充分利用FPGA的邏輯可編程性，很好的解決了高速任意波形合成中存儲(chǔ)器工作速度的限制難題，完成了高速任意波形、復(fù)雜數(shù)字調(diào)制波形的合成功能?？刂葡到y(tǒng)采用ARM嵌入式處理器，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過基于GTK的圖形用戶接口，提供友好的人機(jī)交互界面。由于Linux操作系統(tǒng)與GTK均為開源代碼，無(wú)須版權(quán)，極大的降低了本作品的成本。在模擬通道的設(shè)計(jì)中，為了提高輸出信號(hào)的質(zhì)量，大量利用了差分電路抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。 從硬件結(jié)構(gòu)上來(lái)劃分，本作品主要由嵌入式系統(tǒng)、高速任意波形合成單元、模擬通道和電源模塊四個(gè)部分組成。 高速任意波形合成單元包括時(shí)鐘發(fā)生器、地址發(fā)生器、波形存儲(chǔ)矩陣、高速DAC等功能模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它用來(lái)產(chǎn)生各種常規(guī)的波形信號(hào)、數(shù)字調(diào)制信號(hào)以及用戶自定義的任意波形信號(hào)。時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生采樣時(shí)鐘，在每一個(gè)采樣時(shí)鐘周期，地址發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)地址信號(hào)對(duì)波形存儲(chǔ)矩陣進(jìn)行尋址，獲得所需要的波形數(shù)據(jù)，送給高速DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生用戶所需要的波形。 嵌入式系統(tǒng)提供友好的人機(jī)交互界面，存儲(chǔ)各種固定波形數(shù)據(jù)以及儀器的初始狀態(tài)，控制各個(gè)單元電路協(xié)同工作，并提供USB和10Base-T/100Bsae-TX以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。 模擬通道位于儀器的末端，包括濾波器組、幅度控制電路、加偏電路等。濾波器組根據(jù)輸出波形的不同選擇，不同的濾波方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理；幅度控制電路、加偏電路、線性放大電路對(duì)輸出波形的幅度、偏移進(jìn)行控制。模擬通道性能的好壞將直接影響到輸出信號(hào)的質(zhì)量。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 基本思路:本作品通過并行存儲(chǔ)任意波形合成方法，克服商用DDS芯片僅能產(chǎn)生正弦信號(hào)的缺點(diǎn)，采用4片存儲(chǔ)器并行的方式，通過“FPGA+RAM+DAC”結(jié)構(gòu)自行設(shè)計(jì)DDS波形合成模塊，很好的解決了高速任意波形合成中存儲(chǔ)器工作速度的限制難題，完成了高速任意波形、復(fù)雜數(shù)字調(diào)制波形的合成功能。控制系統(tǒng)采用ARM嵌入式處理器，運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過基于GTK的圖形用戶接口，提供友好的人機(jī)交互界面。由于Linux操作系統(tǒng)與GTK均為開源代碼，無(wú)須版權(quán)，極大的降低了本作品的成本。 設(shè)計(jì)上主要突破了以下四個(gè)技術(shù)關(guān)鍵和創(chuàng)新： 1、基于存儲(chǔ)器并行的任意波形合成技術(shù)，采用4片存儲(chǔ)器并行，結(jié)合并串轉(zhuǎn)換技術(shù)，突破了器件速度限制，合成500MSPS的任意波形，輸出信號(hào)最高頻率可達(dá)200MHz。2、序列合成技術(shù)，采用基于DDWS技術(shù)的序列合成技術(shù)產(chǎn)生任意波形，等效的提高了系統(tǒng)的存儲(chǔ)深度，在目前國(guó)內(nèi)的任意波形發(fā)生器產(chǎn)品中尚屬首創(chuàng)。3、基于FIR數(shù)字濾波的DDS幅頻校正技術(shù)，針對(duì)DAC零階保持特性、濾波器元器件參數(shù)誤差和放大器非線性所引入的幅頻特性惡化問題，在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)了FIR數(shù)字濾波模塊，進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的預(yù)校正，極大的降低了產(chǎn)品調(diào)試的時(shí)間和成本。4、基于雙DDS的任意波形互調(diào)制技術(shù)，在本產(chǎn)品中設(shè)計(jì)了雙路任意波形合成單元，可實(shí)現(xiàn)任意波形的互調(diào)制，豐富了所能產(chǎn)生的波形種類，極大的方便了用戶的使用。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 任意波形發(fā)生器是近年來(lái)飛速發(fā)展起來(lái)的一類通用信號(hào)源。與傳統(tǒng)信號(hào)源相比，任意波形發(fā)生器的最大優(yōu)勢(shì)在于其產(chǎn)生信號(hào)的方式靈活。但是受芯片條件制約，目前國(guó)產(chǎn)任意波形發(fā)生器的主要問題在于：受存儲(chǔ)器工作速度制約，任意波形發(fā)生器的最高采樣頻率受限。目前國(guó)內(nèi)的主要產(chǎn)品采樣率一般在300MSPS以下。 本作品所實(shí)現(xiàn)的任意波形發(fā)生器采樣頻率為500MSPS，最大輸出信號(hào)帶寬200MHz，兼具DDFS和DDWS兩種任意波形合成方法，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，通過GTK圖形用戶接口提供友好的人機(jī)交互界面，成為國(guó)內(nèi)同行業(yè)產(chǎn)品的佼佼者。該任意波形發(fā)生器擁有USB接口和LAN接口，實(shí)現(xiàn)LXI C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可便于組建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。作品的輸出帶寬寬，頻率精度高，輸出幅度動(dòng)態(tài)范圍大，操作界面為中文顯示，人機(jī)界面友好，功能完善。相比于國(guó)外強(qiáng)勢(shì)品牌的任意波形發(fā)生器，該作品不僅在各項(xiàng)性能指標(biāo)上相當(dāng)，而且具有更低的成本，更加合乎現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的需求，具有廣闊的前景。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 整體轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 圖片 實(shí)物 現(xiàn)場(chǎng)演示
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 優(yōu)勢(shì)：本作品特點(diǎn)是高采樣率、高帶寬、輸出波形種類豐富、人機(jī)交互界面友好。適用范圍：本作品不僅能產(chǎn)生正弦波、方波等標(biāo)準(zhǔn)波形，還可以根據(jù)用戶的測(cè)試需求仿真被測(cè)產(chǎn)品在實(shí)際條件運(yùn)行時(shí)所遇到的“真實(shí)世界”信號(hào)。市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：目前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)任意波形發(fā)生器的廠家，其產(chǎn)品的采樣率和輸出帶寬均偏低，不能滿足國(guó)內(nèi)對(duì)任意波形發(fā)生器的需求，高技術(shù)指標(biāo)的任意波形發(fā)生器依靠進(jìn)口，且價(jià)格昂貴。相比于國(guó)外品牌的任意波形發(fā)生器，本作品不僅在各項(xiàng)性能指標(biāo)上相當(dāng)，而且具有更低的成本，更加合乎現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的需求，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 500MSPS任意波形發(fā)生器與同類產(chǎn)品的比較： 美國(guó)Tektronix公司，其任意波形發(fā)生器市場(chǎng)占有率較高，產(chǎn)品多為利用專用集成電路芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，其中AFG3101A為該公司的主流產(chǎn)品。為了便于比，我們將任意波形發(fā)生器和Tektronix公司兩款波形發(fā)生器的技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比列表如下： 型號(hào) 本作品 AFG3101A AWG510 最高采樣率500MSPS 1GSPS 1GSPS 最高輸出頻率200MHz 100MHz 400MHz 序列發(fā)生功能 有 無(wú) 有 價(jià)格 10000元 40000元 100000元 幅度分辨率128K×14 Bit 128K×14Bit 4M×10 Bit 頻率分辨率 1 uHz 1uHz 1uHz 標(biāo)準(zhǔn)波形 高斯，洛侖茲，半正矢，sinc，正弦，噪聲等十四種 高斯，洛侖茲，半正矢，sinc，正弦，噪聲等十四種 正弦、方波、三角波、斜波、脈沖、直流 調(diào)制特性 AM/FM/FSK/PSK /Burst/SWEEP 內(nèi)/外部調(diào)制 AM/FM/FSK/Burst SWEEP 內(nèi)/外部調(diào)制 AM/FM/FSK/PSK /Burst/SWEEP 內(nèi)/外部調(diào)制 掃頻方式 線性/對(duì)數(shù) 線性/對(duì)數(shù) 線性/對(duì)數(shù) 掃頻方向向上/向下 向上/向下 向上/向下 通過上表對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)本作品的最高采樣率為AFG3101A的一半，但是最高輸出頻率確是該產(chǎn)品的一倍，并且具備序列發(fā)生功能，在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不輸于AFG3101A的基礎(chǔ)上，本作品的價(jià)格遠(yuǎn)低于AFG3101A，十分符合目前國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求。
