一种基于dds的高分辨率脉冲波形产生装置
阅读说明：本技术 一种基于dds的高分辨率脉冲波形产生装置 (High-resolution pulse waveform generating device based on DDS ) 是由 付在明 刘航麟 戚士瑞 刘科 孔德轩 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明属于数字测试技术领域,涉及一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置。本发明在采样时钟的固定采样率下,通过相位累加模块对一个周期内波形样点进行计数,从而确定出当前周期内波形样点个数。当相位累加器计满一个周期时,周期累加模块开始对脉冲周期开始计数。通过时间偏移计算模块计算出当前周期结束时间点与下一周期波形样点起始点的间距,以确定下一周期脉冲波形样点的起始时刻,以此规律继续向下计算,周期累加器M依次加一,直到时间偏移计算为0时,周期累加器M置0重新循环计算波形样点。按照上述步骤依次确定出每一个周期内的波形样点。克服了脉冲信号分辨率调节受限于采样时钟频率的问题。(The invention belongs to the technical field of digital testing, and relates to a high-resolution pulse waveform generating device based on a DDS (direct digital synthesizer). According to the invention, under the fixed sampling rate of the sampling clock, the waveform sampling points in one period are counted by the phase accumulation module, so that the number of the waveform sampling points in the current period is determined. The period accumulation module begins counting pulse periods when the phase accumulator counts up a period. Calculating the distance between the ending time point of the current period and the starting point of the waveform sampling point of the next period by a time offset calculation module to determine the starting time of the pulse waveform sampling point of the next period, continuing to calculate downwards according to the rule, sequentially adding one to the period accumulator M, and setting the period accumulator M to be 0 until the time offset is calculated to be 0 to calculate the waveform sampling point again in a circulating manner. And sequentially determining the waveform sampling points in each period according to the steps. The problem that the resolution adjustment of the pulse signal is limited by the frequency of the sampling clock is solved.)
技术领域
本发明属于数字测试
技术领域
，具体涉及一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置。背景技术
现代通信、雷达、导航、宇航等领域的数字设备和计算机设备都需要参数高度可控的脉冲信号，可调参数脉冲信号可作为各种数字电路系统中噪声容限测试以及系统响应测试中常用的信号。
在当前的波形合成方法中，直接数字合成(Direct Digital Synthesis，DDS)是主流的方法，DDS又分为直接数字波形合成(Direct Digital Waveform Synthesis，DDWS)和直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis,DDFS)。其中，DDWS在采样时钟的控制下逐点输出波形数据，其波形产生的灵活性源自其高速波形查找表中存储的波形。其波形可以采取任何形状，也可以有任意数量的畸变，因此，用户可以开发想得到的几乎任何波形。但是，由于DDWS产生新的频率必须通过更改采样时钟的频率或波形存储器中的数据点数来实现，要想实现高分辨率，此方法受限制比较大。
DDFS通过在采样时钟的控制下，相位累加器对频率控制字进行累加，然后对波形查找表进行寻址，输出相应的幅度信息，完成波形相位到幅度的转换，从而实现脉冲信号的合成，其在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率及集成化等性能指标方面都超过了传统频率合成技术所能达到的水平。但是，此方法所合成信号的频率分辨率由采样时钟频率和相位累加器的位数共同决定,也就是说该方法产生的信号的分辨率仍受限于采样时钟的频率。
发明内容
本发明提供了一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置，以解决现有技术合成的脉冲信号分辨率调节受限于采样时钟频率的问题。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置，包括：相位累加模块、周期累加模块、时间偏移计算模块、上升沿计算模块、下降沿计算模块、波形段控制模块、波形样点选择模块、数模转换器和低通滤波器；
所述相位累加模块接外部提供的采样时钟fs，用于对一个周期内脉冲波形点个数N进行计数，所统计的波形样点包含：上升沿、下降沿、高电平及低电平；采样时钟每一次上升沿计数一次，当一个周期内波形点数计数完成后得到数量N，N上限应为其中f为脉冲波形频率，fs为采样时钟采样率，当N达到上限后置0重新计数；
周期累加模块连接相位累加模块，用于对脉冲波形的周期个数M进行计数；计数规则为：当相位累加模块计完一个周期内的波形样点计数后，即N达到上限后会产生一次溢出，每溢出一次就为脉冲波形的一个周期，周期数用M表示，M的上限为脉冲频率f(Hz)，当M达到上限后置0重新开始计数；
时间偏移计算模块连接周期累加模块，用于计算当前周期结束时刻到下一周期起始波形样点的时间间隔tΔM，这一间隔即为时间偏移；
上升沿计算模块连接相位累加模块以及时间偏移计算模块，根据接收的波形样点个数、以及时间间隔tΔM生成上升沿脉冲波形点；
下降沿计算模块连接相位累加模块以及时间偏移计算模块，根据接收的波形样点个数、以及时间间隔tΔM生成下降沿脉冲波形点；
波形段控制模块连接上升沿计算模块和下降沿计算模块，用于将高电平波形阶段大于高电平的样点置于高电平VH，将低电平阶段小于低电平的波形样点置于低电平VL；
波形样点选择模块连接上升沿计算模块、下降沿计算模块以及波形段控制模块；波形样点选择模块依据当前所处时间确定出接收的波形处于上升沿、下降沿、高电平还是低电平阶段，并以此为依据输出相应波形；
所述数模转换器连接波形样点选择模块，将接收的脉冲波形样点数据转换成模拟信号后，送入低通滤波器去除杂散信号后输出至外部。
本发明的波形样点计算公式是由波形样点的定义所得，在本发明中，高电平波形样点VH、低电平波形样点VL、上升沿波形样点Y1(t)和下降沿波形样点Y2(t)的具体计算公式为：
上升沿波形样点计算公式：
下降沿波形样点计算公式：Y2(t)＜VH；
高电平波形样点VH有：Y1(t)＞VH,Y2(t)＞VH；
低电平波形样点VL有：Y2(t)＜VL；
在上述公式中，高电平VH、低电平VL均为常数，t表示波形样点自变量，Tf表示上升时间，Tr表示下降时间，Tw表示脉冲宽度；
其中自变量t计算公式为：
其中N表示波形点个数，fs为采样时钟采样率，f为脉冲波形频率，M表示周期数；tΔM为当前周期结束时间点到下一周期波形样点起始点的间隔，表示相邻两个波形样点的间隔。
本发明提供的一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置，在采样时钟的固定采样率下，通过相位累加模块对一个周期内波形样点进行计数，从而确定出当前周期内波形样点个数。当相位累加器计满一个周期时，周期累加模块开始对脉冲周期开始计数。由于下一周期脉冲波形起始点与当前周期的脉冲波形并不相同，因此需要通过时间偏移计算模块计算出当前周期结束时间点与下一周期波形样点起始点的间隔，以确定下一周期脉冲波形样点的起始时刻，以此规律继续向下计算，周期累加器M依次加1，直到时间偏移计算为0时，周期累加器M置0重新循环计算波形样点。这样的话，每一个周期内的脉冲波形样点都可以通过上升沿计算、下降沿计算、波形段控制模块确定，然后通过波形样点选择模块后输出波形样点，最后波形样点送入数模转换模块实现模拟信号输出，随后通过低通滤波器滤除杂散信号以实现高分辨率脉冲信号。
由于采取了上述技术方案，本发明的高分辨率脉冲波形产生装置具有了以下有益效果：
(1)、由于本发明中采用了波形样点降低幅度的方式来调整上升沿、下降沿和脉宽，所以上升沿、下降沿和脉宽的调节实现了远小于两个相邻波形样点时间间隔的分辨率，使脉冲信号分辨率调节不再受制于采样时钟频率的限制；
(2)、由于时间偏移tΔM的使用，使得每一周期的脉冲波形起始点都得以确定，从而使每个周期的脉冲波形都得以完整描述。
附图说明
图1是本发明一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置原理框图；
图2是脉冲波形实现上升沿高分辨率框图；
图3是图2所示脉冲信号上升沿、下降沿、脉冲宽度和周期的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置原理框图。
在本实施例中，如图1所示，一种基于DDS的高分辨率脉冲波形产生装置，包括：相位累加模块、周期累加模块、时间偏移计算模块、上升沿计算模块、下降沿计算模块、波形样点选择模块、波形段控制模块、数模转换器、低通滤波器。；
下面对各个子模块进行详细描述：
相位累加模块的输入外接采样时钟fs，输出分别连接周期累加模块、上升沿计算模块以及下降沿计算模块；用于计算一个周期内脉冲波形点个数N，采样时钟每来一次上升沿计数一次，当一个周期内波形点数计完后N，N上限应为其中f为脉冲波形频率，fs为采样时钟采样率，当N达到上限后置0重新计数；
周期累加模块的输出连接时间偏移计算模块输入，用于计算周期的个数，当相位累加模块计完一个周期内的波形样点后也即N达到上限后会产生一次溢出，每溢出一次就为脉冲波形的一个周期，周期数用M表示，M的上限为脉冲频率f(Hz)，当M达到上限后置0重新开始计数；
时间偏移计算模块的输出分别连接上升沿计算模块的输入以及下降沿计算模块输入，用于计算某一周期结束时刻到下一周期起始波形样点的时间间隔tΔM，这一间隔称为时间偏移；
上升沿计算模块的输出连接波形段控制模块的输入以及波形样点选择模块的输入，用于上升沿脉冲波形点的产生；
下降沿计算模块的输出连接波形段控制模块的输入以及波形样点选择模块的输入,用于上升沿脉冲波形点的产生；
波形段控制模块的输出连接波形样点选择模块，用于将处于高电平波形阶段大于高电平的样点置于高电平(VH)，将低电平阶段小于低电平的波形样点置于低电平(VL)；
波形样点选择模块的输出连接数模转换器，依据当前所处时间确定出接收的波形处于上升沿、下降沿、高电平还是低电平阶段，并根据波形样点的计算公式输出相应波形样点；
数模转换器的输出连接低通滤波器，用于接收波形样点选择模块提供的波形数据，并对接收的波形数据进行数字模拟转换，得到模拟信号,然后将模拟信号送入低通滤波器；数模转换器的采样率为fs，它将经过波形样点选择模块后的波形送到低通滤波器。
低通滤器与外部设备连接，用于对数模转换器输出的模拟信号进行滤波，滤除杂散信号，实现纯净的脉冲信号输出。由于数模转换器的零阶保持特性，其输出的模拟信号包含镜像频率在内的杂散信号，需要对包含杂散信号的模拟信号进行滤波得到纯净的脉冲信号。低通滤波器对用户所需脉冲信号带宽外的高次谐波和镜像频率进行滤除得到高分辨率脉冲上升沿可控的脉冲信号。
图2是脉冲波形实现上升沿高分辨率的原理框图。如图2所示：
高电平波形样点VH为一常数，在图2中表现为一条直线。
低电平波形样点VL一常数，在图2中也表现为一条直线。
上升沿波形样点计算公式：在图2所示的坐标系中，自变量t为横坐标，其中，fs是采样时钟采样率，N/fs用于确定每个波形样点的坐标，由于第一个周期的起始点在原点，而其他周期起始点不一定在原点，所以需要计算出偏移量tΔM，即当前周期结束时刻到下一周期起始点的间隔，由此能够确定出每个周期波形样点的起始点，并以此为依据确定出所需波形数据中每个波形样点的横坐标t。
下降沿波形样点计算公式：由下降沿的一个点和下降沿的斜率，通过点斜式计算得到；
在本实施例中，自变量t计算公式：
计算tΔM主要是利用第M+1个周期的起始点的坐标，减去第M个周期的结束时刻坐标，即计算它们的差值。
也就是说，本实施例一个周期内的脉冲波形样点可以按照上述公式进行描述。当脉冲波形处于上升沿时间段时，利用上升沿公式算出波形样点的幅度值；当脉冲波形处于下降沿时间段时，利用下降沿公式算出波形样点的幅度值；当脉冲波形处于高电平时间段时，将这一阶段的幅度值强制置为高电平VH；当脉冲波形处于低电平时间段时，将这一阶段的幅度值强制置为低电平VL。
如图2所示，当改变上升沿时间Tr时，上升沿部分的波形样点会相应向下移动一定距离，从而实现脉冲波形上升沿的分辨率Δt，它的最大值不会超过相邻两个波形样点的时间间隔。由于脉冲波形频率f不一定是采样频率fs的整数倍，所以每一周期的脉冲波形起始点都不在同一位置，当经过f个周期后起始点会重新归0。
图3是图2所示脉冲信号上升沿、下降沿、脉冲宽度和周期的示意图。
如图3所示，脉冲信号的高低电平分别为VH和VL，脉冲信号的周期为1/f，上升时间Tr为电平从幅度的10％过渡到90％的时间，下降时间Tf为电平从幅度的90％过渡到10％的时间，脉冲宽度Tw为包含脉冲高电平从上升沿中的50％幅度过渡到下降沿中的50％幅度的时间。通过上述六个参数可以确定一个理想的脉冲信号。
在本实施例中，用户根据脉冲信号频率f、脉冲宽度Tw、上升沿时间Tr、下降沿时间Tf、高电平VH、低电平VL即可产生所需的脉冲信号，通过上升沿、下降沿、高电平、低电平的计算公式描述各个阶段的波形样点，该方法与装置所能实现的脉冲上升沿最小分辨率Δt小于两个相邻波形样点的时间间隔。
需要说明的是，在本发明中脉冲上升沿分辨率可以达到Δt，脉冲信号的脉冲宽度和下降沿以及频率分辨率同样能够达到Δt。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。