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一种用作超声波信号源的 AWG 的设计
张振
河海大学计信学院,江苏常州 (213022)
E-mail:zz_hhuc@163.com
摘 要:本文介绍了一种采用单片机与复杂可编程逻辑器件(CPLD)相结合的方法设计的任
意波形发生器(AWG)。其中波形合成采用了直接数字合成(DDS)技术。本系统能输出频率和
幅度可调的多种标准函数波以及任意波形,信号频率覆盖范围广,同时极大地提高了频率的
分辨率和准确度,因此可以用它代替常用的模拟超声信号源。
关键词:AWG,超声波信号源,DDS,单片机,CPLD
1.引言
超声技术在我们日常生活中发挥着越来越大的作用,在勘探,测量,以及医疗事业上都
有巨大的利用价值,所以设计一个高质量智能化的超声信号源有着非常重要的意义。传统的
模拟超声信号源只能直接产生适当频率的电信号,用以驱动特定的超声波换能器,且信号产
生后的智能化控制尚不完善。这对于信号源的合理利用是一个较大的弊端。
本文所介绍的任意波形发生器是基于 DDS(Direct Digital Synthesis 直接数字合成)技
术设计的。与传统的模拟信号发生器相比具有频带宽、稳定性好、分辨率高、易于程控等特
点。因此它适合作为小信号源,被应用于功率超声和检测超声中。
本文首先介绍了 DDS 的基本原理,并根据在信号源在超声领域的应用需求制定合适的
AWG 设计指标。其次提出构成本系统的三个模块——整机控制、波形生成和稳压电源模块
的设计方案。最后进行整机调试,并对整机的性能作出评价和展望。
2. 基于DDS技术的任意波形发生器
DDS 技术的基本理论早在 70 年代就已经提出来了,随着现代电子技术和大规模集成电
路的发展,它已成为了最重要的频率合成技术,并被广泛应用于任意波形发生器的设计。
2.1 DDS技术
DDS 的基本原理是基于 Nyquist 采样定理。将模拟信号进行采集,经量化后存入存储器
中(查找表),通过寻址查找表输出波形数据,再经 D/A 转换、滤波即可恢复原波形
[1]
。其
实现过程如图 1 所示。
在系统时钟的作用下,将频率控制字(也即累加器步长)送至相位累加器,并与原有的
数据相加,这样,累加器的输出是一个关于时间的线性相位函数。相位函数的斜率决定了信
号的频率,而相位函数的斜率取决于每个时钟周期相位的增量。控制每个周期相位的增量即
可控制合成信号的频率。改变累加步长,即可改变输出每个周期的相位增量,从而改变输出
信号的频率。
图 1 DDS 实现基本过程
输出
量 化 存 储 恢 复
模拟信号
采 样