變時(shí)鐘dds任意波形信號(hào)源控制輸出頻率的方法及實(shí)現(xiàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源控制輸出頻率的方法及實(shí)現(xiàn)裝置，根據(jù)原始波形周期采樣點(diǎn)數(shù)和輸出頻率來設(shè)置信號(hào)源的工作時(shí)鐘，根據(jù)信號(hào)源的工作時(shí)鐘來對(duì)原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，調(diào)整原始數(shù)據(jù)長度；針對(duì)傳統(tǒng)DDWS技術(shù)在頻率分辨率上的不足，采用拉格朗日插值算法調(diào)整每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，既可產(chǎn)生復(fù)雜多變的波形又可以滿足分辨率的要求?？梢詮V泛的應(yīng)用在汽車防抱死、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和變頻器等領(lǐng)域。
【專利說明】變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源控制輸出頻率的方法及實(shí)現(xiàn)裝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及DDS信號(hào)源領(lǐng)域，具體涉及一種有效控制任意波形發(fā)生器輸出波形頻率的方法和裝置領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]任意波形發(fā)生器(Arbitrary Waveforill Generator, AffG)是近年以來快速發(fā)展的一種通用信號(hào)源。任意波形發(fā)生器不僅能產(chǎn)生正弦、方波、三角、鋸齒波等常見信號(hào)，還可以通過編輯手段生成任意的波形采樣數(shù)據(jù)，方便的合成任意波形激勵(lì)信號(hào)，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)。在高風(fēng)險(xiǎn)高費(fèi)用的實(shí)驗(yàn)測試中，可以模擬某種難以復(fù)現(xiàn)的信號(hào)，例如在飛機(jī)的可行性和穩(wěn)定性測試中，模擬試機(jī)時(shí)螺旋槳的運(yùn)行情況；在通信接收機(jī)測試中，仿真接收到的信道衰減信號(hào)等，可以廣泛的應(yīng)用在汽車防抱死、發(fā)動(dòng)機(jī)控制和變頻器等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。
[0003]在文獻(xiàn)《高速任意波形合成關(guān)鍵技術(shù)研究》(電子科技大學(xué)學(xué)位論文)中提到直接數(shù)字合成技術(shù)是任意波形合成的核心，可分為直接數(shù)字波形合成(Direct DigitalWaveform Synthesis, DDWS)和直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital FrequencySynthesis, DDFS)兩種。
[0004]DDffS的實(shí)現(xiàn)原理如附圖3，包括地址發(fā)生器、波形查找表、DAC(數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器)和可變時(shí)鐘發(fā)生器組成。根據(jù)波形數(shù)據(jù)采樣頻率、所需信號(hào)的時(shí)域特征、波形長度等參數(shù)，由信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式計(jì)算出各信號(hào)點(diǎn)幅度值，經(jīng)過量化后按采樣順序預(yù)先存儲(chǔ)在波形查找表中，波形查找表可以用ram來實(shí)現(xiàn)，用來存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)?？勺儠r(shí)鐘發(fā)生器按照用戶設(shè)置的采樣頻率輸出相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，地址發(fā)生器的輸出地址加1，地址發(fā)生器的輸出地址對(duì)波形查找表尋址，逐點(diǎn)讀出波形數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后生成相應(yīng)的輸出信號(hào)，通過控制時(shí)鐘信號(hào)來控制輸出波形的頻率。
[0005]DDFS系統(tǒng)主要由固定時(shí)鐘發(fā)生器、相位累加器、波形查找表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等組成，如附圖4所示。在采樣時(shí)鐘的控制下，相位累加器以頻率控制字進(jìn)行累加，輸出相位地址對(duì)波形查找表進(jìn)行尋址，輸出相應(yīng)的幅度信息，完成波形相位到幅度的轉(zhuǎn)換。輸出的波形幅度信息通過DAC (數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器)得到相應(yīng)的模擬信號(hào)輸出，低通濾波器濾波后輸出，通過控制頻率控制字來控制步長來控制輸出波形的頻率。
[0006]DDFS中工作時(shí)鐘固定即采樣頻率固定，在產(chǎn)生同一波形的不同頻率輸出時(shí)，不需要改變波形查找表中的波形數(shù)據(jù)，只改變頻率控制字即可。所合成信號(hào)的頻率分辨率由采樣時(shí)鐘頻率和相位累加器的位數(shù)共同決定，要想獲得較高的頻率分辨率，DDFS的相位累加器位數(shù)往往較大，就要求波形查找表的容量要求很大，實(shí)際應(yīng)用中很難是實(shí)現(xiàn)。對(duì)于某些固定的頻率輸出，只利用了波形查找表中一部分的數(shù)據(jù)，存在大量的數(shù)據(jù)冗余。而在要求任意波形合成的采樣率隨采集系統(tǒng)的采樣率變化而變化，便于進(jìn)行信號(hào)的復(fù)現(xiàn)時(shí)，采用DDFS難以實(shí)現(xiàn)這些波形信號(hào)的模擬。[0007]DDffS在采樣時(shí)鐘的控制下逐點(diǎn)輸出波形數(shù)據(jù)，其波形產(chǎn)生的靈活性源自其高速波形查找表中存儲(chǔ)的波形。DDWS可以在儀器能夠生成的任何時(shí)鐘頻率上，從高速波形存儲(chǔ)器中讀取采樣點(diǎn)，不管時(shí)鐘是工作在低頻還是高頻，波形的形狀不會(huì)有任何改變，盡可能的保證信號(hào)的細(xì)節(jié)不遺漏，實(shí)現(xiàn)高保真的波形信號(hào)。輸出信號(hào)的頻率由采樣時(shí)鐘頻率與波形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目共同決定。為了實(shí)現(xiàn)某一頻率的函數(shù)波形，需要仔細(xì)計(jì)算時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目以及波形數(shù)據(jù)信息。每一次信號(hào)頻率的改變，往往要重新更新波形存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)信息和采樣時(shí)鐘的頻率，這需要在已知波形函數(shù)的情況下進(jìn)行重采樣或者直接對(duì)所要模擬的波形直接進(jìn)重采樣，因此，采用DDWS技術(shù)在實(shí)現(xiàn)波形頻率的分辨率上有一定的局限性，對(duì)于常規(guī)函數(shù)波形的產(chǎn)生也比DDFS技術(shù)的應(yīng)用更為復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種變時(shí)鐘DDS任意波形發(fā)生器及其精確控制輸出波形頻率的方法和裝置，針對(duì)傳統(tǒng)DDWS技術(shù)在頻率分辨率上的不足，采用拉格朗日插值算法調(diào)整每個(gè)周期的采樣點(diǎn)，既可產(chǎn)生復(fù)雜多變的波形又可以滿足分辨率的要求。
[0009]為實(shí)現(xiàn)上述的發(fā)明目的，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
[0010]變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源控制輸出波形頻率方法，流程如圖2所示:
[0011]第一步，根據(jù)原始波形每個(gè)周期采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)M和輸出波形頻率f；ut來設(shè)置信號(hào)源的工作時(shí)鐘f:配置一個(gè)計(jì)數(shù)值為N的計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的工作時(shí)鐘頻率為&，每經(jīng)過N個(gè)時(shí)鐘周期輸出系統(tǒng)工作時(shí)鐘的一個(gè)時(shí)鐘周期，
[0012]N0=f0/ (f0Ut* M)
[0013]N0>=2時(shí)，四舍五入Ntl得到的值即為N，信號(hào)源以頻率為VN的時(shí)鐘為工作時(shí)鐘，
[0014]N0<2時(shí)，N=l，信號(hào)源以頻率為&的時(shí)鐘為工作時(shí)鐘；
[0015]第二步，判斷合成波形是否滿足頻率要求，
[0016]將M個(gè)采樣數(shù)據(jù)在&/N的時(shí)鐘下進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)際輸出波形的頻率為f；utl
[0017]foutl=f0/ (_
[0018]若輸出波形的頻率誤差I(lǐng) f^-f-1 Zfout滿足頻率精度要求，將M個(gè)采樣數(shù)據(jù)寫入波形查找表，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出；
[0019]若輸出波形的頻率誤差不滿足頻率精度要求，對(duì)M個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，得到M0個(gè)采樣數(shù)據(jù)，
[0020]M0^M1=V (f0Ut*N)
[0021]對(duì)M1的四舍五入得到M0,
[0022]第三步，將M0個(gè)采樣數(shù)據(jù)寫入波形查找表中，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出。
[0023]所述對(duì)M個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理為M0個(gè)采樣數(shù)據(jù)的方法為:
[0024]M個(gè)原始采樣數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)的函數(shù)表達(dá)值為y = f (n)，n = 1，2，...，M，對(duì)M個(gè)原始采樣數(shù)據(jù)采用拉格朗日插值法實(shí)現(xiàn)Mtl個(gè)采樣數(shù)據(jù)的均勻插值，即在[1，M]上的M個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)
【權(quán)利要求】
1.一種變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源控制輸出波形頻率方法，其特征在于: 第一步，根據(jù)原始波形每個(gè)周期采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)M和輸出波形頻率f；ut來設(shè)置信號(hào)源的工作時(shí)鐘f:配置一個(gè)計(jì)數(shù)值為N的計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的工作時(shí)鐘頻率為&，每經(jīng)過N個(gè)時(shí)鐘周期輸出系統(tǒng)工作時(shí)鐘的一個(gè)時(shí)鐘周期，
N0=V (f0Ut*M) N0>=2時(shí)，四舍五入Ntl得到的值即為N，信號(hào)源以頻率為&/N的時(shí)鐘為工作時(shí)鐘， N0<2時(shí)，N=I，信號(hào)源以頻率為&的時(shí)鐘為工作時(shí)鐘； 第二步，判斷合成波形是否滿足頻率要求， 將M個(gè)采樣數(shù)據(jù)在L/N的時(shí)鐘下進(jìn)行數(shù)字-模擬模轉(zhuǎn)換，實(shí)際輸出波形的頻率為fwtl
fouti=fo/ (臓) 若輸出波形的頻率誤差I(lǐng) foutl-fout I Zfout滿足頻率精度要求，將M個(gè)采樣數(shù)據(jù)寫入波形查找表，再經(jīng)數(shù)字-模擬模轉(zhuǎn)換輸出； 若輸出波形的頻率誤差不滿足頻率精度要求，對(duì)M個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，得到Mtl個(gè)采樣數(shù)據(jù)，
M0^M1=V (f0Ut*N) 對(duì)札的四舍五入得到M。， 第三步，將M0個(gè)采樣數(shù)據(jù)寫入波形查找表中，再經(jīng)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源控制輸出波形頻率方法，其特征在于:所述對(duì)M個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理為M0個(gè)采樣數(shù)據(jù)的方法為: M個(gè)原始采樣數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)的函數(shù)表達(dá)值為y = f (n)，n = 1，2，...，M，對(duì)M個(gè)原始采樣數(shù)據(jù)采用拉格朗日插值法實(shí)現(xiàn)Mtl個(gè)采樣數(shù)據(jù)的均勻插值，即在[1，M]上的M個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)X =
3.一種變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源裝置，其特征在于:該裝置包括上位機(jī)、晶振、時(shí)鐘單元、相位累加單元、波形查找表和DAC， 時(shí)鐘單元、相位累加單元和波形查找表分別連接到上位機(jī)，晶振連接到時(shí)鐘單元，晶振為時(shí)鐘單元提供高速時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)鐘單元的工作時(shí)鐘，時(shí)鐘單元連接到相位累加單元、波形查找表和DAC，相位累加單元連接到波形查找表，波形查找表連接到DAC中； 上位機(jī)用于配置時(shí)鐘單元和相位累加單元，上位機(jī)對(duì)原始波形采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算處理后通過總線向波形查找表中寫入采樣數(shù)據(jù)； 時(shí)鐘單元為相位累加單元、波形查找表和DAC提供時(shí)鐘信號(hào)，相位累加單元產(chǎn)生地址輸出到波形查找表，波形查找表中的米樣數(shù)據(jù)輸出到DAC中轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出； 所述上位機(jī)根據(jù)M個(gè)原始波形數(shù)據(jù)和輸出波形頻率配置信號(hào)的工作時(shí)鐘，根據(jù)信號(hào)源工作的時(shí)鐘來對(duì)M個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行插值運(yùn)算處理后寫入波形查找表中，波形查找表在相位累加器產(chǎn)生地址信號(hào)時(shí)輸出米樣波形輸出到DAC后數(shù)字-模擬模轉(zhuǎn)換輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源裝置，其特征在于:所述時(shí)鐘單元為一個(gè)計(jì)數(shù)器，上位機(jī)通過配置計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來輸出可變的時(shí)鐘供相位累加單元、波形查找表和DAC使用。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的變時(shí)鐘DDS任意波形信號(hào)源裝置，其特征在于:所述相位累加單元包括一個(gè)初始地址寄存器和頻率控制寄存器，上位機(jī)通過計(jì)算機(jī)總線配置初始地址寄存器和頻率控制寄存器，相位累加單元產(chǎn)生初始地址和采樣率可變的地址信號(hào)。
【文檔編號(hào)】H03K3/02GK103944537SQ201310632775
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】夏朋浩, 賈曉華, 張興堂, 尹加豹, 朱勇, 張鵬, 吳亮, 王偉強(qiáng), 王冶, 崔強(qiáng)強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一六研究所