基于微机的任意波形产生系统的设计与实现(一)

基于微机的任意波形产生系统的设计与实现

摘要：文中给出一种基于微机的任意波形产生系统的设计方案，着重阐述和分析了其中的几项关键设计，并对系统的具体实现作了介绍。 
关键词：  任意波形产生系统   SRAM   DAC   DDS   DMA
引言
    任意波形产生器（AWG）是用来产生在时域和频域均可灵活定义的各种复杂波形信号的系统，它在通信、雷达、电子测试等领域有着广泛应用，随着CPU、RAM、DAC等器件性能的不断提高，AWG正向着宽频带、高幅度分辨率和大波形容量的方向发展。目前，国内尚无自己研制生产的高性能AWG，在这一领域主要有函数发生器和专门波形产生器两类产品，它们在功能和灵活性上同AWG还有较大差距。根据AWG的工作原理，我们设计了一个基于微机的任意波形产生系统，此系统可实现AWG的主要功能，并具有宽带输出和灵活性强的特点。
1  任意波形产生系统的工作原理与设计方案
    根据采样定理，信号的时域采样对应于频域上的周期延拓，当对一个时域连续信号的采样频率大于其最高频率的两倍时，采样得到的离散数据就包含了原信号的所有信息，通过处理采样数据可以对原信号进行恢复。任意波形产生系统就是基于这一原理合成波形信号的，它主要包括数据产生、数据处理和系统控制三个部分。数据产生部分根据所需合成的信号以软件方式生成相应的波形采样数据，同时可对数据进行算法上的优化；数据处理部分对生成的数据进行存储、读取和转换，完成信号从离散采样到模拟波形的变换；系统控制部分用以控制系统工作的全过程。软件生成采样数据的方式使任意波形产生系统能够合成可用程序编辑的各种复杂波形信号（如数字调制信号、编码雷达信号、电视测试信号），而且便于实现对信号的幅相补偿（预失真）。
    我们设计的系统是由微机来产生和输出波形采样数据，并由高速静态存储器（SRAM）和高速数模转换器（DAC）对数据进行存储和转换，其设计原理如图一所示

在系统的设计中，我们重点着眼于其三方面性能：一、宽带输出 。二、数据转换速率灵活可控，能适应多种波形产生情况下的要求。三、系统可对输出信号的时频特性进行快速调整。为此，我们作了如下设计：
    一  利用双SRAM并行结构完成数据的存储与读取。
    系统工作时，微机输出的采样数据可以是通过运行程序即时生成的，也可以是事先生成并存储在硬盘上的。根据不同波形产生情况下的需要，系统有三种工作状态：第一种工作状态下微机向外部存储器实时提供系统所要转换的数据，外部存储器数据的写入与读出同时进行。考虑到缓冲器作缓冲和传输占用的时间，此时微机输出数据速率应高于系统对数据的转换速率（相当于对合成信号的采样速率），系统对数据的转换速率具体是指外部存储器被读取数据的速率和DAC的转换速率，由于存储器和DAC的速率可远高于微机总线速率，并且采样数据可事先生成，因而此状态下系统输出带宽主要取决于微机输出数据速率；第二种工作状态下系统以直读外部存储器的方式产生波形。工作时微机首先将数据输出到外部存储器，当存储器被写满后微机不再输出数据，系统只对存储器中的数据进行反复读取和转换。利用这种方式可方便地合成各种复杂周期信号，并能实现宽带输出，这时的输出带宽仅受系统转换速率限制，当系统转换速率最高为100MBps时，输出带宽可达50MHz。此状态下频率分辨率是一个重要指标，在系统转换速率一定的情况下，它决定于外部存储器的波形容量，我们按10Hz以下频率分辨率指标来设计波形容量，要求其在10MB以上；第三种工作状态介于前两种之间。在某些应用场合下，为获得超宽带输出所设置的系统转换速率远高于微机输出数据的速率，这样，外部存储器数据的写入与读取要以两种相差很大的速率同时异步进行，系统只能对输出信号的时频特性作间断性调整。当对合成信号的瞬变特性要求不高时，系统可工作于此状态。

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