基于DDS技能的多路电气隔离程控旗子暗记源_暗记_旗子

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（北京工业大学电子信息与掌握工程学院，北京100124）

摘要：为理解决实际军工测试中须要遥测多达几百路的被测旗子暗记来完成对遥测旗子暗记的调理和动态校准，基于直接数字频率合成技能(DDS)设计了一种多路电气隔离型的程控旗子暗记源，为遥测系统供应仿照勉励旗子暗记。
用户通过上位机人机交互界面完成对下位机仿照勉励旗子暗记源的参数设置，经485总线通信使下位机自动产生多种波形，最多实现128路相互电气隔离通道中的一起或多路独立输出。
旗子暗记源的频率范围为0～8 kHz，波形幅值能达到70 VP-P，精度达到±0.2% FS，具有高精度及多用场性，运用前景广泛。

基于DDS技能的多路电气隔离程控旗子暗记源_暗记_旗子基于DDS技能的多路电气隔离程控旗子暗记源_暗记_旗子智能

0 弁言

（图片来自网络侵删）

程控旗子暗记源作为遥测测试系统的一个主要组成，紧张用来为测试系统供应仿照勉励旗子暗记给被测模块。
旗子暗记源无论是在传授教化、科研还是在部队技能保障中，都有着广泛的利用[1]。
目前现有的旗子暗记源发生装置存在仿照旗子暗记源少、旗子暗记精度较低的缺陷，这给测试职员对遥测系统进行旗子暗记精度校准带来了困难。
根据直接数字频率合成(Direct Digital frequency Synthesis，DDS)技能的特点将其运用于旗子暗记源系统中能显著提高旗子暗记源的分辨率且降落研发本钱。
因此采取DDS技能设计一套多路相互电气隔离的高精度程控旗子暗记源具有很大的实用代价和研究意义。

为提高某军工单位测试研发效率，本文基于FPGA设计并实现了一种至多128路输出的相互电气隔离的多种波形高精度程控旗子暗记源系统，该系统达到了±0.2% FS的高精度，大大缩短了遥测校准旗子暗记精度的测试韶光。

1 系统整体架构

本系统采取型号为EP2C20F484C8的FPGA芯片作为核心处理芯片，利用DDS芯片DAC902制作旗子暗记发生模块，系统整体架构如图1所示。
系统可分为上位工控机与下位机DDS旗子暗记源板卡,高下位机之间通过485总线实现数据传输。
本系统将128路旗子暗记分成16个信源，每个信源的8路旗子暗记集成在一个DDS板卡中，不仅拥有独立的电源和参考地，还采取磁耦芯片ADUM1412来确保每路旗子暗记之间的电气隔离。
每块板卡上的8路旗子暗记通过继电器开关矩阵进行旗子暗记的扩展切换。
系统事情时DDS模块首先经由DAC902芯片产生低压仿照旗子暗记，经差分放大电路放大幅值后进入到后端滤波放大电路进行去除量化噪声和进一步调理放大，终极得到单路仿照勉励旗子暗记。
在电路设计的关键部位均采取高精度电阻来担保转换精度和增益精度知足系统指标。
全体旗子暗记源系统通过DC-DC电源模块供电，电源模块为旗子暗记源系统供应+5 V、+12 V以及±15 V的电源。

本旗子暗记源系统可以产生频率范围为0～8 kHz、幅值范围为-35 V～+35 V的正弦波、三角波、上升锯齿波、低落锯齿波、直流电平和占空比可调的方波，所天生的波形可从至多128路中的任意一起或多路相互电气隔离的通道并行输出，旗子暗记输出的幅值精度为±0.2% FS。

2 旗子暗记源硬件设计

2.1 DDS的事情事理

频率合成技能先后经历了直接仿照式、间接锁相式(PLL)、直接数字式(DDS)3个发展阶段[2-3]。
DDS的紧张思想是从相位的观点出发合成所须要的波形[4-5]。
图2为DDS事理框图。

N位累加器在时钟fc的掌握下以步长K进行累加，输出的N二进制码与相位掌握字P相加后的结果作为波形存储器ROM的地址，然后对ROM进行寻址后输出D位的幅度码S(n)，经由D/A转换器后变成阶梯波n(t)，末了通过低通滤波器处理后得到所合成的波形旗子暗记。

DDS技能的核心思想即在频率掌握字的掌握下，将离散波形数据转换成一定频率的连续仿照旗子暗记。
输出频率与频率掌握字及参考时钟的关系可用式(1)表示[6]：

式中f0为输出频率，K是频率掌握字，N为一正整数，fc为时钟频率。

从式(1)中可以看出，当K=1时，DDS仿照旗子暗记输出最低频率（即频率分辨率）为fc/2N，而DDS仿照旗子暗记的最大输出频率则由Nyquist采样定理决定，即fc/2，也便是说K的最大值为2N-1。
当N的值固定时，只需改变K的取值，就可以改变输出波形的频率[7]。
常日情形下fc为系统时钟，以是频率分辨率就只取决于N的取值。
本系统中，为了提高系统的频率分辨率，N的取值固定为32，系统参考时钟fc选为100 MHz，经打算本系统的频率分辨率约为0.023 2 Hz。

2.2 FPGA主控模块

本系统中，为了使相位和波形存储器的地址能相互对应，在折中的办法上选择截取相位寄存器结果中的高12位数据作为存储器寻址地址，这样既节省FPGA片上资源，又可以担保波形精度。

2.3 D/A转换单元设计

经由12 bit精度的DDS芯片DAC902产生的低级低压仿照旗子暗记会输出至差分放大电路进行幅值放大，差分电路的构造图如图3所示。

2.4 滤波放大电路

在滤波放大部分，采取OP07芯片搭建的低通滤波器构做作为前端运放模块进行仿照旗子暗记的低级调理，输出后的旗子暗记再作为后端共射电路的输入进行电压放大。
在本系统中，低通滤波器的选择上采取二阶巴特沃斯低通滤波器以得到最大的平坦幅度效应，同时办理由截取相位寄存器高12位数据作为存储器寻址地址所带来的量化噪声。
滤波放大电路事理图如图4所示。

滤波方面考虑到设计的简便性，构造上选用等容、等阻的设计方法，即令R12=R13=R，C7=C8=C。
则一样平常的通报函数可由式(2)表示：

个中，电压放大倍数滤波器系数a1=ωCRC(3-Ao)=1.41，b1=(ωCRC)2=1[8]。
为了知足设计哀求，本系统中给定迁移转变频率fc=80 kHz，R6=1 kΩ，C=C7=C8=3.3 nF。
功率放大器的放大倍数设定为10，因此还需在功放模块进行放大倍数的相应调度。
同时，电路图中所示的电阻R1、R6、R7、R16采取高精度电阻来担保增益精度。

在功放方面，采取互补推挽构造功率输出级的构造，由运放输出的小电流旗子暗记经OP07后输出，再经由后真个共射电路进行电压放大。
反馈电阻R13两端并联330 pF电容C1，这样能防止自激震荡的发生。
电路中高下对称的两个共射电路可以相互认为是恒流源。
在集电极部分采取的是UBE倍增电路来确保晶体管保持静态导通，防止波形发生交越失落真。

考虑到电路中元器件须要承受较高电压，以是系统中功放模块设计了分立三极管与集成功放共同事情的放大电路。
这里的集成功放芯片采取OP07芯片,NPN三极管采取2SC3298,PNP三极管采取2SC1306。

2.5 波形ROM的实现

在本设计中，相位累加器输出的高12位数据作为波形ROM的采样地址，进行波形的相位与幅值转换。
12位的寻址ROM相称于把0°~360°的仿照旗子暗记离散成具有212=4 096个采样值的序列，则4 096个采样值的幅度以12位的二进制数值固化在ROM中，按照地址的不同可以输出相应的旗子暗记幅度。

波形采样值通过特定的波形数据转换软件将6种不同的波形相应转换成6组对应的4 096个波形数据写入.c文件中，然后定制FPGA内部集成IP Core实现波形ROM的功能。
以上一级相位累加器所得相位结果作为波形ROM的地址，进而将输出波形采样点的二进制量化值传给D/A转换器作数模转化。
每次程序解包完成后，下位机会根据用户须要配置的波形把SRAM中相应波形的4 096个波形数据取出，4 096个波形数据取出会被放置在FPGA芯片上的ram_onchip中经D/A转换电路进一步把数据转换成相对应的仿照旗子暗记。

3 旗子暗记源软件设计

3.1 下位机软件

下位机软件实现的功能是吸收上位机通过485总线发送的配置指令数据包，根据制订好的通信协议按照相应的算法对数据包进行解析后比对CRC校验码和下位机板卡ID，并将有效的参数配置指令发送给对应ID号的DDS板卡，进而实现对16块下位机DDS板卡的并行操作。
下位机软件的流程图如图5所示。

3.2 上位机软件

本系统中，上位机软件的功能是通过界面的办法记录用户对DDS旗子暗记源系统的配置需求，将需求进行汇总并按之前指定的通信协议打成数据包向下位机发送相应的串口指令。
上位机软件基于C#开拓环境进行界面的搭建和代码编写。
用户在利用上位机软件时只需在界面上选择须要配置的波形、频率、幅值和占空比(方波)，并同时在界面中打开须要配置的通道号后点击确定，就可以通过上位机掌握旗子暗记源从128个通道中的一起或多路输出所需波形。

4 实验结果

本旗子暗记源系统的输出波形实测如图6～图9所示，根据用户所选波形种类、输出频率、电压幅值的不同，从图中可以不雅观察到系统输出的各种波形光滑且旗子暗记滋扰小，频率稳定度高。

测试系统精度时，用户从上位机配置界面输入0～70 Vp-p范围内须要的频率和幅值，当旗子暗记源系统相应后通过高精度数字万用表对输出旗子暗记的幅值进行实时丈量并打算呈现实的幅值精度，表1为详细测试中实测的不同旗子暗记频率下输出幅值精度，旗子暗记的输出经丈量知足设计时±0.2% FS的精度需求。

5 结论

本文设计并实现了一种多路电气隔离的高精度程控旗子暗记源，经实验验证如下：

(1)本系统可实现0～8 kHz宽频带、0～70 VP-P高幅值范围、多种波形可选至多128路电气隔离的仿照勉励旗子暗记源并行独立输出。

(2)本系统输出旗子暗记幅值精度经实测在0～8 kHz宽频率范围内达到±0.2% FS，具有很高的可靠性。

(3)本系统采取的独立电源和参考地与磁耦芯片结合的电气隔离方法在实际运用中效果良好。

(4)本系统的用户配置直接通过上位机软件实现，系统可运用在对自动化程度哀求较高的环境中。

参考文献

[1] 张静，李延军，刘长茂，等.基于DDS的高分辨率旗子暗记源发生器的实现[J].当代电子技能，2014(12)：4-5.

[2] 汉泽西，张海飞，王文渤，等.基于DDS技能正弦波旗子暗记发生器的设计[J].电子测试，2009(8)：65-69.