基于FPGA的高精度信号源的研究与实现

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电阻-电容的量值传递过程中,由于电阻和电容之间存在90°的相位差,采用传统的变压器电桥法无法将电容值溯源到电阻基准值。虽然,双直角电桥能够解决直角电源相位和幅值调节存在互相干扰的问题,但为实现阻抗四端对的准确定义,需要搭建极为复杂的电路,增大实验难度。中国计量科学研究院提出了一种基于瓦格纳支路的阻抗测量方法,能够实现简单、易于操作的阻抗测量,其首要前提是制备精密信号源。该信号源要具有两个方面的要求:1)能够产生两路正弦信号,这两路正弦信号可以准确改变90°相位,并且相位改变前后信号幅度不发生变化;2)这两路信号的幅值要具有非常高的稳定性,同时信号的幅度分辨率需要达到16位以上,频率和幅值准确度需要达到104-量级。目前在市面上信号源无法同时满足上述要求。因此,本文要研制一台满足上述两个要求的高精度信号源。本文具体工作如下:1)分析DDS基本原理,详细讨论相位截断误差、幅度量化误差与数模转换器的非线性误差所引入的杂散问题,并对DDS信号的交流有效值与基波有效值的关系加以讨论,从而获得DDS信号源的相关参数,为高精度双路DDS信号源的设计提供了坚实的理论基础。2)利用Quartus II软件对DDS信号源的数字电路部分进行设计,用Modelsim软件和Quartus II软件的SignalTap II功能进行仿真,验证数字电路的正确性。研制基于主从双处理器协调工作的高精度双路DDS信号源,该信号源采用两个FPGA处理器协调工作来产生两路正弦信号,并通过串口与PC机进行通信,使得两路正弦信号能够实时改变相位和频率。双路DDS信号中FPGA控制电路板和DAC模块电路板通过端口相连来进行数模隔离,并采用同轴线进行信号传输,实现各路输出信号在电气上完全隔离,互不干扰。因此,双路DDS信号源输出信号能够准确的改变相位,并且输出信号的幅度与相位无依赖。3)最后,用泰克DSO5034示波器、Agilent34451A和交流电压表Fluke5790对设计的高精度双路DDS信号源进行测试,并对测试结果进行分析,评估信号源的稳定性和频率幅值分辨率。测试结果显示,本文设计的双路DDS信号源能够实现相位准确改变以及幅度与相位无依赖;DDS信号源两路信号的幅值分辨率达到18位,频率和幅值的准确度为106-量级,幅值的稳定性达到106-量级,满足设计要求。
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