基本信息
- 项目名称：
- 500MSPS任意波形发生器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 500MSPS任意波形发生器是电子科技大学三位本科生利用课余时间花费两年时间在老师的悉心指导下设计制作成功的。通过“FPGA+RAM+DAC”结构自行设计DDS波形合成模块，采用4片存储器并行，结合并串转换技术，合成500MSPS的任意波形，输出信号最高频率可达200MHz。相比于国外强势品牌的任意波形发生器，该作品不仅在各项性能指标上相当，而且具有更低的成本，更加合乎现阶段国内的需求。
- 详细介绍：
- 任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）是近年来飞速发展起来的一类通用信号源。与传统信号源相比，任意波形发生器的最大优势在于其产生信号的方式灵活。它不仅能产生正弦波、方波等标准波形，同时具有输出频率稳定度和分辨率高，频率切换速度快，并且切换时输出波形相位连续等优点，而且可以根据用户的测试需求仿真被测产品在实际条件运行时所遇到的“真实世界”信号，生成任意波形激励信号。 从任意波形合成技术上来看，占主导地位的是美国Tektronix公司和Agilent公司，其任意波形合成技术十分成熟，产品多为利用专用集成电路芯片设计实现的，采样率已经高达24GSPS，最高输出信号带宽为9.6GHz。我国研制任意波形发生器是从90年代开始的，受芯片条件制约以及国外的技术封锁，所形成的产品的功能指标不高。如南京盛普仪器科技有限公司的F120型任意波形发生器的采样率为300MSPS，任意波输出带宽为100kHz。北京普源精仪公司的DG3121A任意波形发生器的采样率为300MSPS，任意波输出带宽为100MHz。且目前国内大部分产品采用单片机等作为主控芯片，不运行操作系统，只有简单的人机界面。波形合成部分主要利用单片DDS芯片来实现，最高采样率，输出信号带宽等指标无法进一步提高，同时任意波形的存储和编辑都受到很大限制，无法产生高速任意波形。 面对这样的情况，为了打破国外企业在技术上的垄断，在电子测试仪器市场上与国外品牌争夺一席之地，促进民族技术的发展，树立民族品牌，提供合乎市场需求的产品，于是发明了该作品。 任意波形合成技术是本作品的重点，其实质是如何根据用户的需要产生波形信号，以及在波形确定的情况下如何通过参考频率源产生频率可变的波形。由于传统信号产生方式难以涵盖测试所需的各种复杂波形，数字取样技术成为任意波形合成方法不可替代的选择，其核心是直接数字合成（Direct Digital Synthesis，DDS）技术。本作品通过并行存储任意波形合成方法，突破器件速度限制，克服商用DDS芯片仅能产生正弦信号的缺点，采用4片存储器并行的方式合成任意波形。 本作品通过“FPGA+RAM+DAC”结构自行设计DDS波形合成模块，充分利用FPGA的逻辑可编程性，很好的解决了高速任意波形合成中存储器工作速度的限制难题，完成了高速任意波形、复杂数字调制波形的合成功能。控制系统采用ARM嵌入式处理器，运行嵌入式Linux操作系统，通过基于GTK的图形用户接口，提供友好的人机交互界面。由于Linux操作系统与GTK均为开源代码，无须版权，极大的降低了本作品的成本。在模拟通道的设计中，为了提高输出信号的质量，大量利用了差分电路抗干扰能力强的优点。 从硬件结构上来划分，本作品主要由嵌入式系统、高速任意波形合成单元、模拟通道和电源模块四个部分组成。 高速任意波形合成单元包括时钟发生器、地址发生器、波形存储矩阵、高速DAC等功能模块，是整个系统的核心，它用来产生各种常规的波形信号、数字调制信号以及用户自定义的任意波形信号。时钟发生器产生采样时钟，在每一个采样时钟周期，地址发生器产生一个地址信号对波形存储矩阵进行寻址，获得所需要的波形数据，送给高速DAC进行数模转换，产生用户所需要的波形。 嵌入式系统提供友好的人机交互界面，存储各种固定波形数据以及仪器的初始状态，控制各个单元电路协同工作，并提供USB和10Base-T/100Bsae-TX以太网接口与计算机进行通讯。 模拟通道位于仪器的末端，包括滤波器组、幅度控制电路、加偏电路等。滤波器组根据输出波形的不同选择，不同的滤波方式对信号进行滤波处理；幅度控制电路、加偏电路、线性放大电路对输出波形的幅度、偏移进行控制。模拟通道性能的好坏将直接影响到输出信号的质量。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 基本思路:本作品通过并行存储任意波形合成方法，克服商用DDS芯片仅能产生正弦信号的缺点，采用4片存储器并行的方式，通过“FPGA+RAM+DAC”结构自行设计DDS波形合成模块，很好的解决了高速任意波形合成中存储器工作速度的限制难题，完成了高速任意波形、复杂数字调制波形的合成功能。控制系统采用ARM嵌入式处理器，运行嵌入式Linux操作系统，通过基于GTK的图形用户接口，提供友好的人机交互界面。由于Linux操作系统与GTK均为开源代码，无须版权，极大的降低了本作品的成本。 设计上主要突破了以下四个技术关键和创新： 1、基于存储器并行的任意波形合成技术，采用4片存储器并行，结合并串转换技术，突破了器件速度限制，合成500MSPS的任意波形，输出信号最高频率可达200MHz。2、序列合成技术，采用基于DDWS技术的序列合成技术产生任意波形，等效的提高了系统的存储深度，在目前国内的任意波形发生器产品中尚属首创。3、基于FIR数字滤波的DDS幅频校正技术，针对DAC零阶保持特性、滤波器元器件参数误差和放大器非线性所引入的幅频特性恶化问题，在FPGA内部设计了FIR数字滤波模块，进行波形数据的预校正，极大的降低了产品调试的时间和成本。4、基于双DDS的任意波形互调制技术，在本产品中设计了双路任意波形合成单元，可实现任意波形的互调制，丰富了所能产生的波形种类，极大的方便了用户的使用。
科学性、先进性
- 任意波形发生器是近年来飞速发展起来的一类通用信号源。与传统信号源相比，任意波形发生器的最大优势在于其产生信号的方式灵活。但是受芯片条件制约，目前国产任意波形发生器的主要问题在于：受存储器工作速度制约，任意波形发生器的最高采样频率受限。目前国内的主要产品采样率一般在300MSPS以下。 本作品所实现的任意波形发生器采样频率为500MSPS，最大输出信号带宽200MHz，兼具DDFS和DDWS两种任意波形合成方法，运行Linux操作系统，通过GTK图形用户接口提供友好的人机交互界面，成为国内同行业产品的佼佼者。该任意波形发生器拥有USB接口和LAN接口，实现LXI C级标准，可便于组建自动测试系统。作品的输出带宽宽，频率精度高，输出幅度动态范围大，操作界面为中文显示，人机界面友好，功能完善。相比于国外强势品牌的任意波形发生器，该作品不仅在各项性能指标上相当，而且具有更低的成本，更加合乎现阶段国内的需求，具有广阔的前景。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 整体转让
作品可展示的形式
- 图片 实物 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 优势：本作品特点是高采样率、高带宽、输出波形种类丰富、人机交互界面友好。适用范围：本作品不仅能产生正弦波、方波等标准波形，还可以根据用户的测试需求仿真被测产品在实际条件运行时所遇到的“真实世界”信号。市场分析和经济效益预测：目前国内主要生产任意波形发生器的厂家，其产品的采样率和输出带宽均偏低，不能满足国内对任意波形发生器的需求，高技术指标的任意波形发生器依靠进口，且价格昂贵。相比于国外品牌的任意波形发生器，本作品不仅在各项性能指标上相当，而且具有更低的成本，更加合乎现阶段国内的需求，具有很好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 500MSPS任意波形发生器与同类产品的比较： 美国Tektronix公司，其任意波形发生器市场占有率较高，产品多为利用专用集成电路芯片设计实现的，其中AFG3101A为该公司的主流产品。为了便于比，我们将任意波形发生器和Tektronix公司两款波形发生器的技术指标的对比列表如下： 型号 本作品 AFG3101A AWG510 最高采样率500MSPS 1GSPS 1GSPS 最高输出频率200MHz 100MHz 400MHz 序列发生功能 有 无 有 价格 10000元 40000元 100000元 幅度分辨率128K×14 Bit 128K×14Bit 4M×10 Bit 频率分辨率 1 uHz 1uHz 1uHz 标准波形 高斯，洛仑兹，半正矢，sinc，正弦，噪声等十四种 高斯，洛仑兹，半正矢，sinc，正弦，噪声等十四种 正弦、方波、三角波、斜波、脉冲、直流 调制特性 AM/FM/FSK/PSK /Burst/SWEEP 内/外部调制 AM/FM/FSK/Burst SWEEP 内/外部调制 AM/FM/FSK/PSK /Burst/SWEEP 内/外部调制 扫频方式 线性/对数 线性/对数 线性/对数 扫频方向向上/向下 向上/向下 向上/向下 通过上表对比，可以发现本作品的最高采样率为AFG3101A的一半，但是最高输出频率确是该产品的一倍，并且具备序列发生功能，在各项技术指标不输于AFG3101A的基础上，本作品的价格远低于AFG3101A，十分符合目前国内的市场需求。
