CN102055438B - 一种高速方波生成装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速方波生成装置及方法，所述装置包括正弦波生成模块、比较模块及映射调整模块。所述方法包括：采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据，对其进行信号滤波、调理后得到正弦信号；将所述正弦信号电平与零电平进行比较，当所述正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当所述正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号；将所述脉冲信号电平与钳位电平+Vs/2进行比较，当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值VH，当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值VL，由此获得与所述脉冲信号同频的方波信号。本发明大大提高了信号源的整体性能。

Description

一种高速方波生成装置及方法
技术领域
本发明涉及波形发生技术领域，特别涉及一种高速方波生成装置及方法。
背景技术
随着测试系统应用范围的扩大，信号源的激励作用得到进一步放大，故而对信号源的输出波形性能指标有了更高的要求。方波作为常见的标准波形之一，其频率及脉宽在实际应用中遇到了严重的挑战。然而，现有信号源的的波形生成一般均采用DDS（Direct Digital Synthesizer，直接数字式频率合成器）技术，但采用DDS技术生成的方波有其固定的缺陷性，即方波信号频率较低，且随着频率增加其脉宽的不稳定性尤其明显，信号质量不能保证。
发明内容
本发明提供一种高速方波生成装置及方法，用以解决如何生成高频率且脉宽稳定的方波的问题。
本发明技术方案包括：
一种高速方波生成装置，包括：
正弦波生成模块，用于采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据，将其进行信号滤波、调理后得到正弦信号输入比较模块；
比较模块，用于对输入的正弦信号电平与零电平进行比较，当输入的正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当输入的正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号，将其输入映射调整模块；
映射调整模块，用于将输入的脉冲信号电平与钳位电平+Vs/2进行比较，当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值VH，当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值VL，由此获得与所述脉冲信号同频的方波信号。
较佳地，所述高速方波生成装置还包括：
锁相环模块，位于比较模块与映射调整模块之间，用于对比较模块输出的脉冲信号进行抖动消除处理，并将处理后的脉冲信号输入映射调整模块。
较佳地，所述正弦波生成模块具体包括：
DDS内核模块，用于采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据输入数模转换模块；
数模转换模块，用于将接收到的正弦波形数据转换为对应的差分信号并输入滤波调理模块；
滤波调理模块，用于将接收到的差分信号转换为单端信号，对该单端信号进行平滑滤波处理，对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
较佳地，所述滤波调理模块具体包括：
初级运算放大器，用于将数模转换模块输入的差分信号转换为单端信号；
高阶椭圆滤波器，用于对转换后的单端信号进行平滑滤波处理得到正弦信号；
次级运算放大器，用于对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
较佳地，所述比较模块采用型号为LT1715的芯片实现。
较佳地，所述映射调整模块采用型号为Edg211的芯片实现。
较佳地，所述输出电平值+Vs为+3.3V脉冲信号。
一种高速方波生成方法，包括步骤：
A、采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据，对其进行信号滤波、调理后得到正弦信号；
B、将所述正弦信号电平与零电平进行比较，当所述正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当所述正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号；
C、将所述脉冲信号电平与钳位电平+Vs/2进行比较，当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值VH，当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值VL，由此获得与所述脉冲信号同频的方波信号。
较佳地，所述步骤B与步骤C之间还包括利用锁相环对脉冲信号进行抖动消除处理的步骤。
较佳地，所述步骤A具体包括：
A1、采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据；
A2、将所述正弦波形数据转换为对应的差分信号；
A3、将所述差分信号转换为单端信号，对该单端信号进行平滑滤波处理，对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
本发明有益效果如下：
本发明突破了现有方波生成技术的瓶颈，提供了一种基于现有DDS技术，采用电平映射方式产生高频率，脉宽稳定的方波的技术方案。采用本发明技术方案可以将方波频率提高到几十兆，甚至百兆以上，且其脉宽稳定，边沿抖动较小。进一步地，采用本发明技术方案产生高速方波时，在大大提升信号质量的同时，还能有效降低信号采样率，减弱了对高速时钟的要求，降低了系统设计成本，提高了信号源的整体性能。
附图说明
图1为本发明高速方波生成装置的结构示意图；
图2为本发明高速方波生成装置的电路结构示意图；
图3为本发明高速方波生成方法的实现原理流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，该图为本发明高速方波生成装置的结构示意图，由图中可件，本发明所述高速方波生成装置主要包括：
正弦波生成模块，用于采用DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据，将其进行信号滤波、调理后得到正弦信号输入比较模块；
比较模块，用于对输入的正弦信号电平与零电平进行比较，当输入的正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当输入的正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号；
锁相环模块，位于比较模块与映射调整模块之间，用于对比较模块输出的脉冲信号进行抖动消除处理，并将处理后的脉冲信号输入映射调整模块；
映射调整模块，用于将输入的脉冲信号电平与钳位电平+Vs/2进行比较，当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值VH，当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值VL，由此获得与所述脉冲信号同频的方波信号。
其中，正弦波生成模块具体包括：
DDS内核模块，用于采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据输入数模转换模块；
DAC（digital-to-analog converter，数模转换）模块，用于将接收到的正弦波形数据转换为对应的差分信号并输入滤波调理模块；
滤波调理模块，用于将接收到的差分信号转换为单端信号，对该单端信号进行平滑滤波处理，对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
请参阅图2，该图为本发明高速方波生成装置的一个较佳实施例的电路结构示意图，由图中可见，本实施例中正弦波生成模块主要包括FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)内部运行的DDS内核模块、DAC模块、初级OPA（运算放大器，Operational Amplifier）、高阶椭圆滤波器以及次级OPA，其中，FPGA内部运行的DDS内核模块主要由加法器和相位累加器构成。上位机配置DDS内核模块的频率控制字及初始相位，在采样时钟激励下，DDS内核模块连续累加产生的结果作为波形存储器的寻址地址，依据寻址地址对波形存储器进行访问，将获得的正弦波形数据输出至DAC模块。DAC模块用于实现数模转换功能将正弦波形数据转换成对应的阶梯波（差分信号）。初级OPA实现差分信号至单端信号的转换，转换后的单端信号通过高阶椭圆滤波器对其进行平滑滤波处理，进而生成高质量的正弦信号，次级OPA可实现正弦信号的零点微调。
本实施例中比较模块采用型号为LT1715的芯片实现，次级OPA输出的正弦信号输入至LT1715的+INA（Pin1），-INA（Pin2）可接地即比较电平为零电平，采用高分辨率DAC对+Vs（Pin9）进行配置，实现输出高电平程控，当输入的正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当输入的正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号，本实施例中将+Vs配置为标准的+3.3V脉冲信号。然后将获得的脉冲信号输入FPGA内部的锁相环模块，使用FPGA内部的锁相环模块对输入的脉冲信号进行抖动消除处理，提高脉冲信号的边沿质量，从而进一步提升脉冲信号的稳定性。
本实施例中映射调整模块采用型号为Edg211的电子驱动芯片为核心进行组建，将锁相环模块输出的脉冲信号输入Edg211的DATA0（Pin30），Edg211的DATA0*（Pin29）接钳位电平（电平值为+Vs/2，+Vs已在比较模块中使用），当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值为VH（Pin24），当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值为VL（Pin25），从而实现了将脉冲信号映射出同频方波信号。采用与比较模块中的高分辨率DAC的独立通道输出作为Edg211的电平控制信号VH（Pin24）、VL（Pin25），由于DAC输出信号电平可编程控制，从而实现了VH，VL的程控配置，高分辨率DAC保证了VH及VL的精度需求，这样可以进一步提高方波信号的幅度对称性。
相应于本发明上述装置，本发明进而提供了一种高速方波生成方法，请参阅图3，该图为本发明高速方波生成方法的实现原理流程图，其主要包括如下步骤：
步骤S31，采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据，对其进行信号滤波、调理后得到正弦信号；
步骤S32，将所述正弦信号电平与零电平进行比较，当所述正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当所述正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号；
步骤S33，利用锁相环对脉冲信号进行抖动消除处理；
步骤S34，将所述脉冲信号电平与钳位电平+Vs/2进行比较，当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值VH，当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值VL，由此获得与所述脉冲信号同频的方波信号。
其中，所述步骤S31具体包括：
步骤S311，采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据；
步骤S312，将所述正弦波形数据转换为对应的差分信号；
步骤S313，将所述差分信号转换为单端信号，对该单端信号进行平滑滤波处理，对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
本发明基于电平映射思想，在DDS技术基础上进行改进，实现了高速方波生成技术。以生成50MHz方波信号为例，若采用传统的DDS技术，若想获取该频率的方波信号，则其采样率应远大于200MHz，且当方波频率不能被采样率整除时，得到的方波信号脉宽不稳定，占空比不能得到保证。但采用此发明时，可以通过200MHz采样时钟，轻松获得高质量的正弦波信号，通过对此正弦波信号进行比较、映射处理，即可得到高质量的50MHz方波信号，且其脉宽稳定，方波占空比得到有效保证。
综上可见，采用本发明产生高速方波时，在大大提升信号质量的同时，还能有效降低信号采样率，减弱了对高速时钟的要求，必然会降低系统设计成本。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高速方波生成装置，其特征在于，包括：
正弦波生成模块，用于采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据，将其进行信号滤波、调理后得到正弦信号输入比较模块；
比较模块，用于对输入的正弦信号电平与零电平进行比较，当输入的正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当输入的正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号，将其输入映射调整模块；
映射调整模块，用于将输入的脉冲信号电平与钳位电平+Vs/2进行比较，当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值VH，当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值VL，由此获得与所述脉冲信号同频的方波信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：
锁相环模块，位于比较模块与映射调整模块之间，用于对比较模块输出的脉冲信号进行抖动消除处理，并将处理后的脉冲信号输入映射调整模块。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述正弦波生成模块具体包括：
DDS内核模块，用于采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据输入数模转换模块；
数模转换模块，用于将接收到的正弦波形数据转换为对应的差分信号并输入滤波调理模块；
滤波调理模块，用于将接收到的差分信号转换为单端信号，对该单端信号进行平滑滤波处理，对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述滤波调理模块具体包括：
初级运算放大器，用于将数模转换模块输入的差分信号转换为单端信号；
高阶椭圆滤波器，用于对转换后的单端信号进行平滑滤波处理得到正弦信号；
次级运算放大器，用于对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述比较模块采用型号为LT1715的芯片实现。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述映射调整模块采用型号为Edg211的芯片实现。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输出电平值+Vs为+3.3V脉冲信号。
8.一种高速方波生成方法，其特征在于，包括步骤：
A、采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据，对其进行信号滤波、调理后得到正弦信号；
B、将所述正弦信号电平与零电平进行比较，当所述正弦信号电平大于零电平时，输出电平值+Vs，当所述正弦信号电平小于零电平时，输出电平值为0，由此获得与所述正弦信号同频的脉冲信号；
C、将所述脉冲信号电平与钳位电平+Vs/2进行比较，当脉冲信号电平大于钳位电平时，输出电平值VH，当脉冲信号电平小于钳位电平时，输出电平值VL，由此获得与所述脉冲信号同频的方波信号。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤B与步骤C之间还包括利用锁相环对脉冲信号进行抖动消除处理的步骤。
10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：
A1、采用直接数字式频率合成DDS方式生成所需方波频率的正弦波形数据；
A2、将所述正弦波形数据转换为对应的差分信号；
A3、将所述差分信号转换为单端信号，对该单端信号进行平滑滤波处理，对滤波处理后得到的正弦信号进行零点微调。
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