【摘 要】
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任意波形发生器(ArbitraryWaveformGenerator,AWG)作为一类信号产生设备,可以生成多种标准波形信号及用户自定义波形信号,具有频率切换速度快、带宽较大等特点,因此在信号源中扮演着十分重要的角色。与射频信号源比,AWG输出信号无杂散动态范围(SpuriousFreeDynamicRange,SFDR)指标较小,这成为制约任意波形发生器进一步应用
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任意波形发生器(ArbitraryWaveformGenerator,AWG)作为一类信号产生设备,可以生成多种标准波形信号及用户自定义波形信号,具有频率切换速度快、带宽较大等特点,因此在信号源中扮演着十分重要的角色。与射频信号源比,AWG输出信号无杂散动态范围(SpuriousFreeDynamicRange,SFDR)指标较小,这成为制约任意波形发生器进一步应用的关键因素。本文调研了六款采样率低于2.5GSPS任意波形发生器的SFDR指标,得出在500MHz带宽内该指标均小于40dBc。因此本文通过设计一款2GSPS采样率低杂散AWG,在500MHz带宽内使仪器SFDR指标大于50dBc,具体工作内容如下:1.杂散信号分析。通过分析理想DDS(DirectDigitalSynthesis,DDS)输出信号频谱,得出数模转换器(DigitaltoAnalogConverter,DAC)保持特性会在输出信号频谱中添加镜像频率信号;通过分析实现DDS结构时所用器件参数与理想DDS结构参数之间的差距,推导出DDS技术中引入的相位截断误差和幅度量化误差与输出信号SFDR指标的关系;基于集成运放仿真模型得出AWG输出信号频率大于10MHz时,放大器非线性造成的谐波失真是影响SFDR指标的关键因素。2.低杂散AWG硬件电路设计。通过分析上述四种因素对低杂散AWG输出信号SFDR指标的影响,确定相位截断误差与幅度量化误差造成的杂散信号幅值过小,可以忽略不计,SFDR指标可以通过使用低通滤波器电路滤除输出频谱中的镜像频率信号和谐波频率信号的方法实现,并利用MATLAB软件仿真及硬件电路测试确认输出信号SFDR指标满足目标要求;基于“FPGA DAC 存储器”结构,通过分析低杂散AWG功能指标和性能指标,完成仪器硬件电路设计。3.FPGA逻辑工程设计。基于PCIe总线实现上位机与PCB板卡之间的数据通信功能;基于数据传输模块解决了存储器非均匀传输至均匀传输的转换;基于数据发送接口模块实现了最大传输4GB波形数据至DAC芯片;基于AXI4-Lite总线,实现时钟芯片配置、信号调理电路控制及仪器状态信息回读等功能。测试结果表明:低杂散AWG输出信号能力不弱于电子科技大学某型号AWG、鼎阳科技SDG6052X及是德科技M9336A仪器,且输出信号SFDR指标优于上述三款仪器,具体为输出信号频率在300MHz以内时,仪器SFDR大于65dBc;在300MHz至500MHz范围内时,仪器SFDR大于50dBc。具有低杂散输出能力的AWG不仅能适用更多测试场景,也能提升包含AWG设备系统的整体性能。
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