低频飘高频信号源

低频飘高频信号源 低频飘高频信号源 摘 要:在现代科研、通信、电子产业中，信号源的精确性和稳定性往往决定了整个系统的性能与稳定与否，所以如何设计制造高品质的信号源成为一个很重要的课题。随着微电子技术的迅速发展。直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesis简称DDS)得到了极快的发展，它具有相对带宽很宽、频率转换时间极短、频率分辨率很高、输出相位连续、可输出宽带正交信号、可编程及全数字化结构便于集成等优越性能。而且，由于DDS是数字化高密度集成电路产品。芯片体积小、功耗低， 因此可以用DDS构成高性能频率合成信号源来取代传统频率信号源产品。 本课题的目的是设计一个100Hz-40MHz的高稳定信号源。设计采用了直接数字频率合成技术，而设计电路上运用了DDS芯片AD9850。 关键词:信号源;直接数字频率合成;AD9850 I 低频飘高频信号源 Low drift of the high-frequency signal source ABSTRACT: In modern scientific research, communications, electronics industry, sources of accuracy and stability of the entire system often determine the performance and stability, how to design and manufacture of high-quality signal source as a very important issue. With the rapid development of microelectronics technology. Direct Digital Synthesis (Direct Digital Synthesis referred DDS) has been very fast development, it has a relatively wide bandwidth, frequency conversion time very short, very high frequency resolution, continuous phase output, output orthogonal broadband signal can be made Cheng and digital structure to facilitate the integration of superiority. Moreover, DDS is the number of high-density integrated circuit products. Chip small size, low power consumption, it can pose a DDS frequency of high-performance signal source to replace the traditional frequency signal source products. The purpose of this task is to design a 100 Hz-40MHz high stability signal source. Designed with the Direct Digital Synthesis technology, and design circuit on the use of the DDS chip AD9850. Keyword: Signal Source; Direct Digital Synthesis; AD9850 II 低频飘高频信号源 第1章 绪论 1.1 选题背景 在电子技术领域中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输入信号，也就是所谓的信号源。信号源有很多种，包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。 作为电子系统必不可少的组成部分的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。随着电子技术的发展，对信号源的要求越来越高，要求其输出频率高达微波频段甚至更高，频率范围从零Hz到几GHz;频率分辨率达到mHz甚至更小，相应频点数更多;频率转换时间达到ns级;频谱纯度越来越高。同时，对频率合成器功耗、体积、重量等也有更高的要求。而传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大、灵活性与准确度差。而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高，而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。所以要实现高性能的信号源，必须在技术手段上有新的突破。 当今高性能的信号源均通过频率合成技术来实现，随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展，频率合成技术有了新的突破——直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis, DDS)，它是将先进的数字信号处理理论与方法引入到信号合成领域的一项新技术，它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。同时，随着微电子技术的迅速发展，尤其是单片机技术的发展，智能仪器也有了新的进展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不断提高。 直接数字式频率合成技术的出现导致了频率合成领域的一次重大革命。直接数字频率合成器问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能己接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器得到了飞速的发展，它以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。 1 低频飘高频信号源 1.2 DDS技术的研究现状与发展趋势 自20世纪80年代以来各国都在研制DDS产品，并广泛地应用于各个领域。其中以ADI公司的产品比较有代表性，如AD7008, AD9850, AD9851, AD9852,AD9854,AD9858等。其系统时钟频率从30MHz到300MHz不等，其中的AD9858系统时钟更是达到了1GHz，这些芯片还具有调制功能。如AD7008可以产生正交调制信号，而AD9852也可以产生FSK(Frequency Shift Key), PSK(Phase Shift Key),线性调频以及幅度调制的信号。这些芯片集成度高，内部都集成了D/A转换器，精度最高可达12bit。同时都采用了一些优化设计来提高性能，如这些芯片中大多采用了流水技术，通过流水技术的使用，提高了相位累加器的工作频率，从而使得DDS芯片的输出频率可以进一步提高。通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下，相位累加器的字长可以设计得更长，如AD9852的相位累加器达到了48bit。这样输出信号的频率分辨率大大提高了。同时为了抑止杂散，这些芯片大多采用了随机抖动法提高无杂散动态范围(这是由于DDS的周期性，输出杂散频谱往往表现为离散谱线，随机抖动技术使离散谱线均匀化，从而提高输出频谱的无杂散动态范围)。 除了在仪器中的应用外，DDS在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。通过DDS可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如:频移键控(FSK),二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)。DDS可以产生两路相位严格正交的信号在正交调制和解调中得到广泛应用，是一种很好的本振源。 但是DDS自身的特点决定了它存在着以下两个比较明显的缺点:一是输出信号的杂散比较大，二是输出信号的带宽受到限制。当然随着技术的发展，这些问题正在逐步得到解决，如通过增长波形ROM的长度减小相位截断误差;通过增加波形ROM的字长和D/A转换器的精度减小D/A量化误差;在比较新的DDS芯片中普遍都采用了12bit的D/A转换器。当然一味靠增加波形ROM的长度和字长的方法来减小杂散，对性能的提高总是有限的。国内外学者在对DDS输出的频谱做了大量的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 以后， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出了误差的频域分布规律建立了误差模型，在分析DDS频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法:可以通过采样的方法降低带内误差功率，可以用随机抖动法提高无杂散动态范围(在D/A转换器的低位上加扰打破DDS输出的周期性，从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化)。 虽然，DDS技术的出现使得信号源的性能指标得到了飞跃，各种新的产品不断推出，但是，目前市场上的信号源产品大多是通用型的，一般只能产生正弦波等 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 波形。而不同领域需要不同的信号源，例如在雷达、通信等领域，就需要短波信号源，要求其具有频移键控、调频、调相等调制功能。所以，在很多应用中，都需要自己设计不同功能的信号源。 2 低频飘高频信号源 1.3 课题的目的与意义 直接数字频率合成技术是近年来新发展起来的一种频率合成技术，它不仅具有高转换速度、高稳定度，还具有高精度、高分辨率等特点。过去为了得到一个高分辨率和稳定度的频率信号源，往往是采用多个锁相环和小数分频技术，因此电路复杂、设备体积较大、成本较高。而直接数字频率合成技术克服了传统的频率合成技术(模拟频率合成、锁相频率合成等)的不足，因此它是一种很有发展前途的频率合成技术。 信号源作为一种信号产生的装置已经越来越受到人们的重视，它可以根据用户的要求，产生自己所需要的波形，具有重复性好，实时性强等优点，已经逐步取代了传统的函数发生器。本课题就是设计开发出一个能产生正弦波波形的信号源，而直接数字频率合成技术是研制该系统所要解决的关键技术，因此对本文的研究不仅具有理论意义而且具有实用价值。 随着计算机软、硬件的发展，计算机与外设之间的数据通信越来越频繁，也越来越便利，虚拟仪器应运而生。本课题的目的在于培养学生设计专用集成电路的能力，对提高学生的实际设计能力有很大的帮助。 1.4 课题的发展现状和前景展望 信号发生器是科研及工程实践中最重要的仪器之一，以往多使用硬件组成。DDS信号源作为一种基本的测试仪器，是各科研，教育，计量，医学等部门必备的仪器设备之一，是各种电子电器如手机，电视机，收音机，音响，仪器仪表生产过程中必不可少的。据统计，仅生产部门每年新购和更新的信号发生器就达数万台，其他部门的需求量也很少。DDS信号发生器有很高的性价比，在国际市场上将非常有竞争力，预计每年市场的需求量在十万台以上，有良好的市场前景及经济效益。 随着信息技术高速发展，集成电路的大规模使用，电子系统已经进入了一个高速发展的全新时段，特别是单片机技术的应用，使其操作和结构越来越简单化，而功能却越来越强大，向我们展示着其强大的发展前景。利用单片机的方式对目标器件进行设计，而以硬件的形式实现既定的系统功能。在设计过程中，可根据需要随时改变器件的内部逻辑功能和管脚的信号方式，借助于大规模集成的FPGA/CPLD和高效的设计软件，用户不仅可通过直接对芯片结构的设计实行多种数字逻辑系统功能，而且由于管脚定义的灵活性，大大减轻了电路图设计和电路板设计的工作量及难度，同时，这种基于可编程芯片的设计大大减少了系统芯片的数量，缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 3 低频飘高频信号源 第2章 DDS信号源设计技术基础 2.1 数字信号载波传输原理 为了使数字信号能在带通信道中传输，必需用数字信号对载波进行调制。如同传输模拟信号时一样，传输数字信号时也有三种基本的调制方式:幅度键控、频移键控和相移键控。它们分别用正弦波的幅度、频率和相位来传递数字基带信号，可以看作是模拟线性调制和角调制的特殊情况。 2.1.1 二进制数字调制 当调制信号为二进制数字信号时，这种调制称为二进制数字调制。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。 1. 二进制幅度键控(2ASK) 在幅度键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。最简单的形式是载波在二进制调制信号1或0的控制下通或断，这种二进制幅度链控方式称为通一断键控(OOK)。它的时域表达式为: S(t),aω?Acost (2-1) ooknc ωa其中，A为载波幅度，为载波频率，为二进制数字1(概率为P)或。(概率为1-p)。 cn 在一般情况下调制信号可以是具有一定波形的二进制序列(二元基带信号)，即 ag(t,nT)(t)B = (2-2) ,nsn T为信号间隔，g(t)为调制信号的时间波形。 s 二进制幅度键控信号的一般时域表达式为: S(t),[ag(t,nT)]ωcost (2-3) ,ASKnscn Ψ(ω)若二进制序列的功率谱密度为，二进制幅度键控信号的功率谱密度 B Ψ(ω)为，则有 ASK 1Ψ(ω),[Ψ(ω，ω)，Ψ(ω,ω)] (2-4) ASKBcBc4 二进制幅度键控的调制器可以用一个相乘器来实现，对于通断键控信号来说，相乘器可以用一个开关电路来代替，当调制信号为1时开关电路导通，为0时开关电路切断。 图2-1所示是OOK信号的典型波形和功率谱。 4 低频飘高频信号源 1 0 1 A t -A 图2-1 OOK信号的典型波形 Ψ(f) B f ,2f,ff2f ssss0 图2-2 基带信号功率谱 2. 二进制频移键控(2FSK) f在二进制频移键控中载波频率随着调制信号1或0而变，1对应于载波,0对应于载1f波。二进制频移键控已调信号的时域表达式为: 2 S(t),[ag(t,nT)]cosωt，[ag(t,nT)]cosωt (2-5) ,,2FSKns1ns2nn ,,aaω,2fω,2f其中，，，是的反码。 nn1212 在最简单也是最常用的情况下，g(t)为单个矩形脉冲。2FSK的典型波形如图(2-2) 所示。 由(2-5)式可知，二进制频移键控已调信号可以看作是两个不同载波的幅度键控已调 信号之和，因此它的频带宽度是两倍基带信号宽度与之和，即 f,f21 ?f,2B， (2-6) f,f21 5 低频飘高频信号源 Ψ(f) 2fsk ff c 图2-3 2FSK信号的功率谱 载波发生器 门 非门 相加 载波发生器 门 图2-4 2FSK调制器 二进制频移键控的调制器可以采用模拟信号调频电路来实现，但最简单的实现方法是图2-4中所示的键控法，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按照1或0分别选择一个载波作为输出。 2.1.2 多进制数字调制 0,t,T在多进制数字调制中，在每个符号间隔内，可能发送的符号有Ms nS(t),S(t)，？，S(t)。2种:在实际应用中，通常取M=，n为大于1的整数。当携带信息的12M 参数分别是幅度、频率或相位时，可以有M进制幅度键控(MASK),M进制频移键控(MFSK)。 M进制相移键控(MPSK)之分。也可以把其中的两个参数组合起来调制，例如把幅度和相位组合起来得到M进制幅相键控(MAPK)或它的特殊形式M进制正交幅度调制(MQAM)等。 longM由于在M进制数字调制中，每个符号可以携带比特信息，因此当信道频带受2 限时可以使信息传输率(比特率)增加，提高了频带利用率，其代价是增加信号功率和实现上的复杂性。 T在M进制幅度键控信号中，载波幅度有M种取值，每个符号间隔内发送一种幅度的s 载波信号。MASK信号的功率谱以及调制方法与2ASK基本相同。 longM对于M进制频移键控，其调制器是用频率选择法实现的，M种频率由位输入2信息确定。 6 低频飘高频信号源 2.2 频率合成技术 频率合成是指以一个或多个参考频率源为基准，在某一频段内，综合产生并输出多个工作频率点的过程。频率合成技术是现代通讯电子系统实现高性能指标的关键技术之一，很多电子设备的功能实现都依赖于所用频率合成器的性能，因此人们常将频率合成器喻为众多电子系统的“心脏”，而频率合成理论也因此在20世纪得到了飞跃的发展。 2.2.1 频率合成技术的发展 频率合成技术的理论形成于20世纪30年代前后，到现在经历了直接频率合成、锁相环、直接数字频率合成等几个发展阶段，下面简单介绍它们的基本情况和特点。 最早的直接频率合成技术(Direct Frequency Synthesis,DFS)是用硬件对高稳定的参考源频率进行加、减、乘、除得出所需频率，可实现快速频率转换、高频率分辨率。这种方法的优点是频率转换速度快、频率分辨率高，但它采用很多带通滤波器，结构复杂，体积大，容易产生过多的谐波和杂散分量，大多数硬件的非线性影响无法滤除。 目前应用较为广泛的是采用锁相环技术(PLL)，它是一种间接的频率合成方法，即把一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频和分频等一系列非线性器件，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器(VCO)的频率锁定在某一组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。它的优点在于可以很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量使用滤波器，结构简单，利于集成化，但系统固有的惰性限制了频率转换的速度，频率间隔不能做得很小，且系统内插入的压控振荡器带来比较大的噪声。 更先进的数字合成法是由美国学者J.Tienrey等1971年首次提出的直接数字式频率合成技术，这是一种基于波形存储的全新频率合成技术。它是根据奈奎斯特取样，从连续信号的相位中出发将一个信号取样、量化、编码，形成一个幅值表存于ROM中。合成时取样间隔时间不变，通过改变相位累加器的频率控制字改变相位增量，导致一个周期内取样点的不同，从而改变频率。这种变化的相位幅值量化的数字信号通过数模变换(D/A)及低通滤波(LPF)即可得到相位/幅值变化的模拟信号。 最初由于DDS技术的输出频率低、输出信号中的寄生谱分量较大、价格的限制等原因限制了其应用，但随着数字集成电路和微电子技术的迅速发展，DDS得以改进并被大力推广应用。近年来，DDS已被视为频率合成的发展方向，成为研究的热点。如今DDS已成为雷达、通信、电子等系统中信号源的首选，在线性调频、扩频和跳频系统、数字广播和高清晰度电视等领域中得到广泛应用，在电子测量仪表等领域也有广阔的应用前景，已逐步成为高性能信号发生器的核心部件。 7 低频飘高频信号源 2.2.2 频率合成技术指标 频率合成技术有着诸多技术指标，这些技术指标决定了频率合成技术的特性及优缺点，下面介绍一些基本的频率合成技术的技术指标。 (1)频率范围。频率合成后生成频率的波动范围，由最小合成频率和最大合成fmin f频率决定，合成的频率介于两者之间。也常用相对带宽来衡量频率范围: ?fmax f,fmaxmin?f,，100% (2-7) (f，f)/2maxmin (2)分辨率。频率合成后两相邻相位点之间的间隔，不同要求的频率合成对分辨率的要求差别很大。 从发出频率切换的指令开始，到频率切换完成，并进入允许的相位(3)切换时间。 误差范围所需要的时间。它与频率合成的方式密切相关。 (4)谐波抑制与杂散抑制。谐波抑制是指载波整数倍频率处单根谱线的功率与载波功率之比，而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比。它们表征了频率输出谱的纯度。频率源中的谐波和杂散主要由频率源中的非线性元件产生，也有频率源内外干扰的影响，还与频率合成的方式有关。 (5)长期频率稳定度。频率源在规定的外界条件下，在一定的时间内工作频率的相对变化，它与所选用的参考源的长期频率稳定度相同。 (6)短期频率稳定度。主要指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏，即相位噪声，它可以从频域(单边带相位噪声谱密度)和时域(阿仑方差)来表征。 2.3 直接数字频率合成原理 2.3.1 DDS数学原理 f设有一频率为的余弦信号S(t): ,ftS(t)= cos(2) (2-8) f现在以采样频率,对S(t)进行采样，得到的离散序列为: c 2,fnTS(n)= cos() n=0,1,2,„ (2-9) c 1T,其中为采样周期。 cfc 对应的相位序列为: ‘Φ(n),2,fnT n=0,1,2,„ (2-10) c 从上式可以看出相位序列呈线性，即相邻的样值之间的相位增量是一个常数，而且 8 低频飘高频信号源 这个常数仅与信号的频率有关，相位增量为: f ‘?Φ(n)2,fT (2-11) c f因为信号频率与采样频率之间有以下关系: fc fK= (2-12) fMc 其中K与M为两个正整数，所以相位的增量也可以写成: K2,’n (2-13) ?Φ(),M K2,,由上式可知，若将2的相位均匀的分为M等份，那么频率为f的余弦信号以,M f频率采样后，它的量化序列的样品之间的量化相位增量为一个不变值K。 c 根据上述原理可以构造一个不变量K为量化相位增量的量化序列: n=0,1,2,„ (2-14) Φ(n),nK 然后完成从,(n)到另一个序列S(n)的映射，由,(n)构造序列: ,,2Φ(n)2nKS(n),cos (2-15) ,cos,cos(2,fnT)cMM 2.3.2 DDS结构、工作原理及性能特点 1. DDS的结构 DDS是一种全数字化的频率合成器，其主要组成为:相位累加器、波形存储ROM、 D/A 转换器和低通滤波器(LPF)。其基本结构如图2-5所示。 f 0K N 相 位 波 形 D/A 低 通 累加器 ROM 转换器 滤波器 f c 图2-5 DDS基本结构图 ff图中K为频率控制字，N为相位累加器的位数，为时钟频率，为输出频率。 c02. DDS的工作原理 fDDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。每来一个时钟脉冲，加c法器将频率控制字K与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加 9 低频飘高频信号源 寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值(二进制编码)经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟信号。 低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。 3. DDS性能特点 DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。 (1)输出频率相对带宽较宽 f输出频率带宽为50%(理论值)。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输c f出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%。 c (2)频率转换时间短 DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其他的频率合成方法都要短数个数量级。 (3)频率分辨率极高 f若时钟的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N决定。只要增加相c 位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mHz甚至更小。 (4)相位变化连续 改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 (5)输出波形的灵活性 只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、 PSK、 ASK和MSK等信号。 10 低频飘高频信号源 (6)其他优点 由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比高。 2.4 DDS芯片AD9850 ADI公司是世界著名的模拟与数字器件的生产厂商。ADI在DDS领域的产品，在性价比上处于世界领先地位。而且ADI公司所有的DDS产品都是Complete-DDS结构，即把D/A与相位累加器和正弦函数表集成于同一块芯片上，所以可以简化系统的设计，提高可靠性。目前，ADI公司的DDS芯片已在国内外得到广泛的应用。 2.4.1 AD9850的基本结构与工作原理 1. AD9850的结构及特性 AD9850是ADI公司采用先进的DDS技术，于1996年推出的高集成度DDS频率合成器，它具有频率分辨率高、输出频谱纯度高和快速频率转换等性能，同时，该器件还具有体积小、使用简便、性能价格比高等优点，在便携式通信、雷达系统、跳频通信等领域具有广泛的应用前景。 AD9850内部包括可编程DDS系统、高性能D/A以及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。AD9850接口控制简单，可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。 2. AD9850的工作原理 AD9850采用DDS技术，利用数字控制的方式输出——频率/相位可变的正弦波。AD9850还包括一个高速比较器，该比较器能够接受来自外部D/A转换器的输出，产生一个低抖动的方波，这使AD9850用作时钟发生器非常方便。 AD9850提供一个32bit的频率调整字，用户可通过改变32bit的频率调整字的内容来改变AD9850的输出频率。在每一参考时钟到来时，频率调整字累加到相位累加器中产生实时的数字相位信息，数字相位信息转换成正弦表中相应的数字幅度值。D/A转换器把数字幅度值高速且线性地转换成模拟幅度值。 通过接口电路把频率控制字输入到DDS电路的相位累加器之后，相位累加器根据这个频率控制字输出相应的线性递增的相位序列，然后在通过D/A转换器得到一个被平顶采样过的正弦波。再通过低通滤波器得到一个光滑的正弦波。 AD9850的基本信号流图如图2-6所示: 11 低频飘高频信号源 基准 频率 时钟 DDS电路 控制 字输 入 相位 幅度 D/A 低通 累加 滤波 转换 转换 图2-6 AD9850基本信号流图 2.4.2 AD9850的控制字与控制时序 AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位相位控制，1位电源休眠功能，2位厂家保留测试控制。这40位控制字可通过并行方式或串行方式装入到AD9850。在并行装入方式中，通过8位总线D7-DO将数据装入寄存器，全部40位需重复5次。在FQ_UD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率和相位及控制数据寄存器，从而更新DDS输入频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。接着在W_CLK上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿后，W_CLK的边沿就不再起作用，直到复位信号或FQ_UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。在串行装入方式中，W_CLK上升沿把25引脚(D7)的一位数据串行移入，移动40位后，用一个FQ_UD脉冲就可以更新输出频率和相位。 AD9850的控制字必须要按规定的时序写入AD9850的寄存器中，并行配置时写入控制字的时序如图2-7所示: DATA W0 W1 W2 W3 W4 FQ_UD W_CLK COS OUT Old Frequency(phase) New Freq uenc图2-7 并行输入时控制字写入时序 y(ph AD9850的复位(RESET)信号为高电平有效，且脉冲宽度不小于5个参考时钟周期。ase) AD9850的参考时钟频率一般远高于单片机的时钟频率，因此AD9850的复位端可与单片机的复位端直接相连。 12 低频飘高频信号源 第3章 基于DDS的信号源硬件设计 基于DDS的高精度的信号源的硬件电路从结构上可以分为DDS核心、单片机控制器、接口电路、输入输出电路等模块。 3.1 系统总体硬件框图 本系统设计由MSC-51单片机、DDS芯片AD9850、低通滤波器、采样保持电路、A/D转换电路以及其他外围电路组成，系统硬件组成框图如图3-1所示: 晶 振 4键盘 ，4 单片机 接口 DDS 系 统 电路 芯片 PC机 A/D 采样保 低 通 转换 持电路 滤波器 正弦波输出 图3-1 系统硬件组成框图 其中，单片机用来实现对整个系统的控制，本设计选用的是性价比高、低功耗、高性能的8051单片机。信号的频率、初始相位值通过与单片机相连接的键盘输入，经单片机处理后转换为频率/相位控制字通过接口电路送至DDS芯片，然后在DDS的D/A转换器的模拟输出端接一个低通滤波器便可得到所需的正弦波信号。将产生的正弦信号经采样保持、A/D转换后送回至8051，通过计算得出信号的频率值和瞬时电压值，并通过共阴极LED显示出来。 8051与AD9850的接口可采用并行方式也可以采用串行方式，考虑到8051的I/O口够用，本设计采用的是并行接口方式。为了避免总线冲突，在单片机与AD9850之间利用CMOS芯片74HC373锁存器进行输入数据的缓冲，以使系统更加稳定，可靠的工作。 DDS的输出频谱里含有一些镜像频率的成分，为了使输出的频率不受外界和一些杂波的干扰，需用一个低通滤波器滤除这些镜像频率，本设计中低通滤波器设计为椭圆滤波器。 13 低频飘高频信号源 3.2 MCU主控部分硬件设计 AD9850所需输入的控制字由单片机提供，这种方式比较灵活，通过编制的程序，用户操作连接在单片机上的键盘即可方便地调节输出信号的频率和相位。本课题选用的是常用的MCS-51系列单片机中的8051,AD9850的硬件接口非常适合像MCS-51这样的单片机对其编程，这样只要按照配置时序对芯片进行简单的配置，芯片就能输出所需的波形。 3.2.1 8051的功能和结构 8051的功能特性可以简单的概括如下几点: 。 (1)8位CPU (2)32条I/0口线。 (3)一个全双工串行通信口。 (4)4KB程序存储器(ROM),128B的数据存储器(RAM)。 (5)111条指令，大部分为单字节指令。 (6)21个专用寄存器、2个可编程定时/计数器、5个中断源，2个优先级。 (7)外部数据存储器寻址空间为64KB，外部程序存储器寻址空间为64KB。 (8)双列直插40PinDIP封装，单一+5V电源供电。 3.2.2 8051I/O口规划 8051有4组8位I/O口:P0、P1、P2和P3。P1、P2和P3为准双向口，PO口则为双向三态 口都用到了，其中PO口用作输入口，接键盘:键盘输入输入输出口。在本设计中四个I/O 的数值通过PO口送至8051单片机，经过单片机处理转换成频率控制字以后再通过P1口送至AD9850; P2口用于输入A/D转换后的八位量化编码到单片机处理，然后转化为BCD码通过串口输出;P3口用到了P3.0、P3.1、P3.2、P3.3、P3.4、P3.5和P3.6，其中P3.0、 P3.2, P3.3用作普通I/O口，P3.1用作串行输出口，P3.4和P3.5作为定时器中断产生时钟信号的输出端口，P3.6用于AD9850的复位。 值得注意的是当PO口作为通用的I/0口使用时，由于输出电路三极管漏极开路，因此，必须在PO口外接上拉电阻(通常外接电阻为:5-lOk)，才能有高电平输出。 , 8051的外围电路如图3-2所示: 14 低频飘高频信号源 图 3-2 8051外围电路 3.3 AD9850外围电路设计 3.3.1 晶振的选择 晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。 DDS的基准信号源决定于整个系统输出的精确度和稳定度，为保证输出信号的精度和稳定度，在本系统中采用了125MHz的温度补偿晶体振荡器TX2110作为DDS的基准信号源，温度补偿晶体不随温度的改变而改变，而且精度和稳定度是非常高，抗干扰也是比较好，使得整个系统输出的频率精确稳定。 15 低频飘高频信号源 3.3.2 电源模块的设计 在所设计的电路中用到了两种电源，+5V和+3.3V。选用TI公司的TPS70302电源管理芯片来设计电源模块，该芯片具有两路可调电压输出Voutl和Vout2，调节范围为1.22V-5.5V> Voutl输出电流为1A, Vout2输出电流为2A, AD9850需要3.3V电压供电，8051和74HC373用5V电压供电，因此该芯片可以满足要求，电源模块电路连接图如图3-3所示: 图 3-3 电源模块电路连接图 3.3.3 AD9850与单片机接口电路 单片机与AD9850的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，但为了充分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式，本设计采用的就是并行方式。 I/O方式的并行接口电路比较简单，但占用单片机资源相对较多，图3-4是I/O方式并行接口的电路图，AD9850的数据线DO-D7与P1口相连，FQ_UD和W_CLK分别与P3.2和P3.3相连，所有的时序关系均可通过软件控制实现。 16 低频飘高频信号源 图 3-4 单片机与AD9850的接口电路 为保证电路能安全可靠地工作，防止模拟和数字电路之间的干扰，需要采取隔离措施。数字信号对模拟部分干扰的一个重要的途径是通过电源和地串入模拟部分，从电源引人的干扰将严重影响输出频谱的纯度，在最后的D/A中，电源的周期纹波将被调制到输出的频谱中，使输出信号成为载频调制上噪声信号。在电路设计中必须极力避免从电源线和地中引入干扰信号，在AD9850的电源中必须将模拟地和数字地分开，模拟电源和数字电源完全隔开，且为模拟部分提供低噪声的电源。因此将DDS模拟部分的+5V供电和数字部分的+5V供电完全隔离，也让数字地和模拟地隔离开。 3.3.4 滤波电路 为了使输出的频率不受外界和一些杂波的干扰，需用一个低通滤波器(LPF)滤除高次谐波。常用的滤波器的频率响应有三种:巴特沃斯型(Buterworth)，切比雪夫型(Chebyshev)和椭圆型(Cauer)。其中巴特沃斯滤波器通带最平坦，它的通带内没有纹波，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大，缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱，过渡带不够陡峭，因此它适用于对通带要求较高，而去除的频率离通带较远的情况:切比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个上限值之间做等起伏变化，阻带内衰减单调增大，带内有起伏，但过渡带比较陡峭;椭圆滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。比较起来，椭圆滤波器性能更好，本设计中采用的是椭圆滤波器。 17 低频飘高频信号源 椭圆滤波器的电路拓扑图如图3-5所示: 图 3-5 椭圆滤波器拓扑图 3.4 采样保持与A/D转换电路 3.4.1 采样保持电路 低通滤波以后输出的正弦信号是模拟信号，要通过LED显示该正弦信号的瞬时电压值必须先将该模拟信号转换为数字信号，即要通过A/D转换。A/D转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给A/D转换器的模拟量发生变化，则不能保证精度。为此，在A/D转换器前加入采样保持电路，如图3-6所示: A1 K U + A2 ST+ U SC- - C 图3-6 采样保持原理电路 采样保持电路有两种工作状态:采样状态和保持状态。 采样状态:控制开关K闭合，输出跟随输入变化。 保持状态:输出与前一个采样点的输入相同，不随该时刻输入变化而变化。 18 低频飘高频信号源 3.4.2 A/D转换 采样后的信号虽然时间上不连续，但幅度仍然连续，仍为模拟信号，必须经过量化，转换成数字信号，才能送入单片机处理。量化过程即是进行A/D转换的过程，A/D转换将采样后的模拟信号转换成数字量。 AD570是一个用电平启动的8位逐次比较型A/D转换器。芯片内含:A/D转换电路、时钟脉冲、比较器、逐次逼近寄存器SAR,缓冲寄存器。 采样保持及A/D转换的电路如图3-7所示: 图 3-7 采样保持与A/D转换电路 19 低频飘高频信号源 第4章 基于DDS的信号源软件设计 本设计中软件所需实现的功能就是要将外部输入的数据按照一定算法变换成AD9850芯片所能接收的格式，并送出相应的频率相位控制字，从而使AD9850能产生相位、频率可程控的信号，并且能够通过驱动电路将频率值和电压瞬时值送至LED显示输出。 4.1 软件总体 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 根据所要实现的技术指标和系统的总体设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，需要合理安排程序流程才能够实现对系统的软件控制。系统程序流程图见图4-1所示: 开始 选择AD9850工作方式 系统初始将键值转换为控制字 化 从键盘输入所需频率 送控制字至AD9850 送出W_CLK信号 是否超出范围 Y N N 是否送完5次 输入初始相位 Y Y 送出FU_DU信号 是否超出范围 Y N 下一次输入, N 结束 图4-1 总体流程图 主要流程如下:先是AD9850系统初始化、LED初始化，再由用户通过键盘输入所需的频率值和初始相位值。单片机完成键盘扫描程序判断输入的频率相位值是否超出系统所限制的范围，如果超出范围则要重新输入，没有超出范围单片机将输入频率值转换成AD9850所需频率/相位控制码，并将频率值转换为BCD码存在RAM中，然后通过8051的P1口将频率控制字送入AD9850数据寄存器，通过串行输出口输出频率值至LED驱动电路， 20 低频飘高频信号源 在相应的输出端就可以输出相应的信号波形，相应的频率值也可以在LED上显示。再等待用户第二次输入新的频率值或结束任务。 4.2 系统初始化 对AD9850进行初始化控制时，主复位脚必须置高电平在10个系统周期以上，主复位的作用是初始化系统总线，置控制寄存器以缺省值。初始化子程序如下: SETUP_AD9850: CLR P3.6 //复位 NOP NOP SETB P3.6 CLR W_CLK //初始化信号脚 CLR FQ_UD SETB W_CLK //设置为并行输入 CLR W_CLK SETB FQ_UD CLR FQ_UD RET 4.3 键盘扫描及按键识别子程序 在本设计中，所设定的频率和初始相位都是通过键盘输入的，因此要通过键盘扫描和按键识别程序将输入的键值处理后送至AD9850。键盘的控制方式一般有程控扫描法、定时扫描法和中断扫描法。键盘输入程序一般包括一下几个部分: (1)判断是否有键按下。 (2)消除按键时产生的机械抖动。 (3)扫描键盘，得到按下键的参数。 (4)计算键值。 (5)判断闭合的键是否释放。 (6)执行键操作。 (7)返回。 为了提高CPU的工作效率，可以采用中断的方法扫描键盘，平时CPU可以执行任何操作程序，仅当键盘上有键闭合时产生中断请求。CPU在响应中断并执行中断服务程序时才扫描键盘，并做出相应的操作。 21 低频飘高频信号源 程序入口 键盘扫描逐行判断闭合键键号 扫描键盘 键值送入A N 有键合上 延时等待键释放 Y 延时去抖 闭合键是否释放 N 扫描键盘 Y N 取出键值A并进行键操作 有键合上 Y 返回 图4-2 键盘扫描及按键识别子系统 键盘扫描子程序如下: KEY:MOV @Rl,#41H INC R1 MOV @Rl,#0 INC R1 MOV @Rl,#0 INC Rl MOV @Rl,#0 DEC R1 DEC R1 DEC R1 CLR 3BH MOV 7CH,#0 LP:MOV R0,#OF7H MOV Rl,#OOH LPI:MOV A,RO MOV PO,A MOV A,PO SETB C 22 低频飘高频信号源 MOV R3,#04H LP2:RLCA JNC KEY LP3:INC Rl DJNZ R3,LP2 MOV A,R0 SETB C RRC A MOV RO,A JCLPl LJMP KEY KEY: LCALL DS1OMS MOV A,PO XRL A,R2 JNZ LP3 LP4:MOV A,PO XRL A,R2 JZL P4 MOV A,Rl MOV DPTR#TAB MOVX A,@A+DPTR LJMP KEY DS1OMS:MOV R6,#60 LOOP1:MOV R7,#248 DJNZ R7,$ DJNZ R6 LOOP1 RET ORG TAB TAB:DB O1H,02H,03H,0AH DB 04H,05H,06H,OBH DB 07H,08H,09H,OCH DB OEH,OOH,OFH,ODH 23 低频飘高频信号源 4.4 波形数据的产生 4.4.1 输入十进制转化为多字节二进制子程序 输入的十进制数必须以回车符(ODH)结尾，并且以ASCI码的形式存放在由(DPTR)指 FF示的外部数据存储器中，如输入形式不符合要求则置位标志位，否则清零标志位。 00 十进制数转化为二进制数子程序: FDTB:MOVC A,@A+DPTR CJNE A,#30H,LL LL:JC FTDB5 CJNE A,#3AH,QQ QQ:JNE FDTBE FDTBI:CLR C SUBB A,#30H PUSH A INC DPTR MOV 7DH,#04H MOV 7EH,#OAOH MOV 7FH,#OOH MOV RO,#7DH LCALL FMUL LCALL FSTR POP A MOVC R3,A MOV R2,#OOH MOV R6,#1OH SETB C CLR FO LCALL FSDT MOV A,R6 MOV @RO,A INC RO MOV A,R3 24 低频飘高频信号源 MOV @RO,A MOV RO,#7DH LCALL FADD LCALL FSTR JNB 3BH,FDTB4 INC 7CH LJMP LP FDTB2:CLR A MOVX A,@A+DPTR CJNE A,#30H,MM MM:JC FDTB3 CJNE A,#3AH,AAH AA:JC FDTBI FDTB3:CJNE A,#2EH,FDTB7 FDTB4:INC DPTR SETB 3BH SJMP FDTB2 FDTB5:CJNE A,#2EH,FDTBE SJMP FDTB4 FDTBE:SETB FO RET FDTB6:JNE A,#OEH,LP FDTB7:CJNE A,#ODH,FDTBE JNB 3BH,EFTBB MOV A,7CH JZ FDTBB FDTBA: MOV 7DH,#7DH MOV 7EH,#OCCH MOV 7FH,#OCDH MOV R0,#7DH LCALL FMUL DJNZ 7CH,FDTBA 25 低频飘高频信号源 FDTBB:MOV A,@Rl MOV C,3CH MOV ACC.7,C MOV @RlA CLR FO RET FDTT:MOV R1,43H CJNE Rl,#02H,FDT1 SJMP FDTT2 FDTT1:JNC LP SJMP FDTTA FDTT2:MOV R1,42H CJNE Rl,#62H,FDT3 SJMP FDTT4 FDTT3:JNC LP SJMP FDTT4 FDTT4: MOV R1,41H CJNE Rl,#5AH,FDTT5 SJMP FDTT6 FDTT5: INC LP SJMP FDTTA FDTTA:MOV @R1,#0 MOV 44H,@Rl RET 26 低频飘高频信号源 4.4.2 AD9850控制字的计算 AD9850共包含有40位控制码(D39,DO)，这40位控制码的作用是: (1)D39和D38用来控制AD9850的数据输入模式。 (2)D37用来调节AD9850的输出功率。 (3)D36,D32是相位调制码，用来控制AD9850的相位调制量。 (4)D31,DO用来控制AD9850的输出频率。 这32位的频率控制码由键盘所输入的频率值直接转换过来，具体转换关系为 32?,,f/(REFCLK/2)f，其中REFCLK为AD9850参考时钟，为输出信号的频率，就?,00是由单片机计算得出的频率控制码。 4.4.3 控制字传送子程序 AD9850的控制字采用并行加载的方式，控制字传送实现非常简单，控制字传送子程 序如下: TRCW:PUSH PSW PUSH A PUSH OOA PUSH 01A MOV OOH,#5 //控制字存放40H至44H MOV Rl,#40H MOV DPTR,#5050H TR1:MOV A,@Rl MOVX @DPTR,A //产生W_CLK INC Rl //连续输入五个控制字 DJNZ OOH,TR1 MOV DPTR,#5054H MOVX A,@DPTR //产生FQ_UD POP 01H POP OOH POP A POP PSW RET 27 低频飘高频信号源 4.5 A/D转换子程序 在本设计中A/D转换后的数据送至单片机处理，启动AD570及读取转换结果对应的程 序段如下: AD:SETB P2.7 MOV DPTR,#7FFCH MOV X@DPTR,A NOP WAIT:JB P2.7,WAIT INC DPTR INC DPTR MOVA,@DPTR X MOV 30H,A INC DPTR MOVX A,@DPTR MOV 31H,A RET 28 低频飘高频信号源 结 束 语 本课题根据现代电子技术的发展需要以及直接数字频率合成技术的特点，设计出了一套基于DDS的高精度高频信号源。 实验表明，所设计的系统能够产成正弦波波形，并能够动态的显示信号频率以及正弦信号电压的瞬时值。信号的频率、相位、幅度的调节精度和抗干扰性等技术性能指标基本上达到了预期的设计目标。 通过本文设计以及对DDS的研究表明，DDS技术可以应用在高速宽带频率合成领域，特别是在对频率切换速度、频率分辨率及相噪、杂散要求较高的场合，DDS技术显示了特殊的优势。当然，DDS的应用不仅限于这些，它还可用于核磁谐振频谱学及其成像、检测仪表等。随着DDS集成电路器件速度的飞速发展，它已成为一种可用于满足系统频率要求的重要而灵活的设计手段。 29 低频飘高频信号源 参考文献 [1] 樊昌信 通信原理(第五版)北京 国防工业出版社 2002 [2] 谢沅清 解月珍 通信电子电路 北京邮电大学出版社 2001 [3] 王庆生 陆栋材 频率合成技术综述 2005年第2期 [4] 田书林 刘科 周鹏 基于双DDS的高速任意波发生器实现技术 [5] 王迎旭 单片机原理与应用 机械工业出版社 [6] 张肃文 陆兆熊 高频电子线路(第三版)高等教育出版社 1992 [7] 谢自美 电子线路设计实验测试 华中理工大学出版社 1994 [8] 张厥盛 曹丽娜 锁相与频率合成技术 电子科技大学出版社 1999 [9] 全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京航空航天大学出版社 2006 [10]Romero-Troncoso，R de J(Espinosa-Flores-Verdad，G，A1-gorithm for phase accumulator synthesis for applications in DDS，Design of Mixed-Mode Integrated Circuits and Applications，1999，Third International Workshop on，1999( [11] 李东生 张勇 许四毛 Protel 99 SE电路设计技术入门与应用 北京:电子工业出版 社 2002 [12] 王数明 戴瑜兴 基于DDS技术的可叠加谐波的正弦信号源设计 湖南师范大学自然 科学学报 2005 [13] 郑戍华 基于DDS的信号源研制:[硕士学位论文] 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Title SizeNumberRevisionB Date:25-Jun-2008Sheet of File:D:\Program Files\Design Explorer 99 SE\Examples\MyDesign.ddbDrawn By:123456 R27+15V 1kR2624k U121C121GR1732 1Y1AGNDVCC41K2G650.01uF2Y2A103G89U143Y3A 131184GNCNC11122174Y4ADB0DR316DGNDDB1DGND74F125X4415DB2BCF514 DB3AGNDU13613DB4AINR1517121GDB5-15V328111K1Y1ADB6B/C4910-15V2GDB7+5V 652Y2A10AD570+5V3G89S213Y3A13SW-PBY14G1112 4Y4A12.000MHZ74F125X4C14C1547uF47uF GNDGND+5V917CLKINDACBL (NC)+15VU1118CLK2 22V+LOGICCLK1RST27Q1LOGIC REFCLK2U636INPUTCBVCC+5V1445QOUTBV-OUTPUT13QOUT U716-15VLF398VINP32815C20OUTGNDFQ_UDVINNDGND254170.002uFW_CLKD7 /LOADVccNCOUT2665D623212427TX2110 IOUTR2810D511202812IOUTB181947kD4RSET R3R4R17R18R191k1kR19R20R21R22R23R24R25R263.9k25100 10K10K10K10K10K10K10K10K +3.3V VCCAD9850+3.3VDVDD C9822uF5V223VIN1VOUT1322VIN1VOUT1721/ENFB1C9316MR GND/MR1E870.22uF95GND/MR210u1218/RESETGND/RESET1317GNDNC2420GNDNC R81VCC104VIN2NC250k1114VIN2COUT2815SEQCOUT2C941916PG1FB2E860.22uFR79系统总电路图 3.3V10u51.1kTPS70302R82250kC9932 47uFR8030.1k 3.3V