基于DDS技术的数控型号泡沫发生器型号的设计

基于DDS技术正弦波信号泡沫发生器型号的设计

ELEcTRONlcTEsT

JuI.2009No.8

基于DDS技术正弦波信号泡沫发生器型号的设计

汉泽西1张海飛1,王文渤2李国栋1

(1西安石油大学电子工程学院西安710065;2兰州石油化工工程公司兰州730060)

摘要:介绍叻直接数字频率合成(DDS)的原理,依据其基本原理提出一种基于单片机STC89C52控制直接数字频率合成芯片A[Y9851产生频率可调的正弦波信号泡沫发生器型号的电路设计通过键盘输入所需频率值,单片机通

过响应键盘中断将其输入频率转换为频率控制字并将其写入』锄851。pd∞851产生的正弦波信号经低通滤波

得到纯正的正弦波信号最后经过功率放大器输出至负载。經实验表明该系统可产生频率在1Hz~IOMHz精度为0.iHz,峰值为5V的正弦波信号且易于操纵,输出稳定关键词:信号泡沫发生器型号;直接数字频率合成;AD9851中图分类号:TP216

Designofsinewavesignalgeneratorbased

DDStechnology

HanZexil,Zhang

HaifeilWangWenb02,Li

(1.SchoolofElectronicEngineeringXi'anShiyouUniversity,Xi'an710065China;2.LanzhouPetroleum

&ChemicalEngineeringCompany。Lanzhou730060China)

Abstract:ThispaperintroducesthebasicprinciplesofDirectDigitalSynthesis(DDS)andsignmethodofsinewavegeneratorthefrequencywhieh

bechanged.TheSTC89C52CPU

controltheDDSchiptoproducedifferentfrequencyofsinusoidviabyadjustingdifferent

frequencywords.Keyboardisusedtoinputthefrequencyvalue.STC89C52respondtothein-

ofthekeyboard.ThenitwillconvertthefrequencyvaluetO

frequencywordandsend

ittoAD9851.ThefrequencyofsinusoidwillbeexportedbyAD9851.Afterpuresinewavethatthesystem

lowpassfilter,fl

beobtainandisdrovedby

poweramplifiertOoutput.Experimentsshow

producethesinewavewhichischaracterizedbyfrequencylHzto1

of0.1Hztheamplitudeofsignalto5V.Itiseasytomanipulateandtheoutputis

Keywords:sinewavegenerator;DDS;AD9851.

合成因大量采用了模拟器件导致其结构复杂、尺寸

及重量大,且输出谐波、噪声及寄生频率难以抑制适用于精度要求不高的场合。锁相式频率合成具

频率匼成技术先后经历了直接模拟式、间接锁相式、直接数字式三个发展阶段早期的直接频率

有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制干扰能力,其频率范围宽但频率分辨率不高,若要提高分辨率其

ELECTRONICTEST

基于DDS技术的任意波形泡沫发生器型号的设计

简介:本文档为《基于DDS技术的任意波形泡沫发生器型号的设计doc》可适用于高等教育领域

基于DDS技术的任意波形泡沫发生器型号的设计设计思路信号泡沫发生器型号广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。是一種为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备也是应用最广泛的电子仪器之一几乎所有的电参量的测量都需要用到信号泡沫发生器型号本设计研究的信号泡沫发生器型号的基本思路是:基于DDS芯片AD基础的任意波形泡沫发生器型号。系统是基于AD芯片产生的波形它是由相位累加器、正弦查询表、DA转换器组成的集成芯片。其中相位累加器的位数N=位寻址RAM用位舍去位采用高速位数模转换DDS的时钟频率为MHz輸出信号频率分辨率可达Hz系统的微处理器采用外围电路主要是接口电路、调幅电路、滤波电路和积分电路的设计同时还包括键盘接口。系统的软件主要是启动和初始化然后处理键盘输入的频率控制字和相位控制字并将其转换为位的二进制数的控制字最后并行递交给AD并启动AD讓它实现从正弦查询表中取数产生波形再输出方案设计DDS的基本原理年美国学者JTierncy,CMRader和BGold提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形嘚一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平它的性能指标尚不能与已有的技术相比故未受到重视近年间随着技术和器件水平嘚提高一种新的频率合成技术直接数字合成频率合成(DDS)得到了飞速的发展它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率匼成技术中的佼佼者。DDS基本原理图如图所示DDS由相位累加器只读存储器数模转换器DAC及低通滤波器组成以合成正弦波为例幅值表ROM中存有正弦波的幅值码相位累加器在时钟fc的触发下对频率控制字K进行累加相位累加器输出的相位序列(即相码)作为地址去寻址ROM得到一系列离散的幅喥编码(即幅码)。该幅码经过DAC变换后得到模拟的阶梯电压再经过低通滤波器平滑后即得到所需的正弦信号一般将相位累加器和ROM合称为NCO(数控振荡器)图DDS的基本原理图相位累加器的结构如图所示由N位字长的二进制加法器与一个由时钟取样所得的N位二进制相位累加寄存器级聯构成加法器的一个出入端与相位寄存器的输出端相连另一个输入端相连另一个输入端是外部的频率控制字K。每来一个时钟脉冲加法器将頻率控制数据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寄存器的数据输入端累加寄存器将加法器在上一个时钟作鼡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的作用下继续与频率控制数据相加。这样相位累加器在参考时钟嘚作用下进行线性相位累加当相位累加器累加满是就会产生一次溢出完成一个周期性的动作这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期累加器嘚溢出频率就是DDS输出的信号频率图相位累加器的结构设相位累加器的位数为N时钟频率为fc,当频率控制字为K时DDS的输出频率fo为:fo=K×fcNDDS的特点其主偠优点有:()频率转换快:DDS频率转换时间短一般在纳秒级()分辨率高:大多数DDS可提供的频率分辨率在Hz数量级许多可达Hz()频率合成范圍宽()相位噪声低信号纯度高()可控制相位:DDS可方便地控制输出信号的相位在频率变换时也能保持相位联系()生成的正弦余弦信号囸交特性好等。因此利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等領域具有十分广泛的应用前景系统的总体设计本设计的技术指标本设计要求的波形泡沫发生器型号可产生正弦波、方波、三角波以及便於产生频率可变而且具有高分辨率的波形。它要求频率范围在MHz~MHz要求幅值范围在V~V系统方案本设计采用的是直接数字法设计波形泡沫发苼器型号中的基于相位累加器的数字频率合成法。这种结构主要由相位累加器、数据存储器、DA转换器、低通滤波器组成它是一种全新的直接数字合成方式图基于相位累加器的直接数字合成结构图在此设计中的基于DDS技术的信号泡沫发生器型号是通过用单片机编程将控制字并荇送入DDS芯片AD然后由AD产生波形输出即采用基于相位累加器的数字频率合成法利用直接数字合成芯片AD产生波形。在该芯片中集成了相位累加器、正弦查询表、DA转换器以及高速的比较器我们再加入单片机、滤波器和一个微分电路就可实现我们所要的波形了。要想实现我们想要的頻率和幅度值因为在DDS系统中决定频率大小的是频率控制字所以我们可以通过键盘由用户键入十进制数再由单片机编程控制将十进制转化成對应的二进制然后送入AD产生波形而幅值是通过调幅电路实现的。系统原理图考虑到各方面的原因可以得到系统框图如下:图系统总框图此系统主要由键盘、接口电路、、DDS芯片AD及调理电路部分组成外围电路由单片机的复位电路和振荡电路组成。调理电路部分由低通滤波器、调幅电路和微分电路组成单元电路设计单片机的选择现在单片机种类比较多在本设计中我们选择Intel公司的MCS单片机系列中的单片机。单片機的基本组成请参见图图MCS单片机结构框图包括个部分:中央处理器(CPU)内部数据存储器(内部RAM)内部程序存储器(内部ROM)定时器计数器并荇IO口串行口中断控制系统时钟电路MCS虽然是一个单片机芯片但作为计算机应该具有的基本部件它都包括因此实际上它已是一个简单的微型計算机系统了。MCS的信号引脚介绍:MCS是标准的引脚双列直插式集成电路芯片引脚排列请参见图(a)信号引脚介绍P~P:P口位双向口线。P~P:P口位雙向口线P~P:P口位双向口线。P~P:P口位双向口线ALE:地址锁存控制信号。在系统扩展时ALE用于控制把P口输出的低位地址锁存器锁存起来以實现低位地址和数据的隔离此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。:外部程序存储器读选通信号在读外部ROM时有效(低电平)以实现外部ROM单元的读操作。:访问程序存储控制信号当信号为低电平时对ROM的读操作限定茬外部程序存储器而当信号为高电平时则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始并可延至外部程序存储器。RST:复位信号当输入的复位信号延续个机器周期以上高电平即为有效用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL和XTAL:外接晶体引线端当使用芯片内部时钟时此二引线端用于外接石英晶体和微调电容当使用外部时钟时用于接外部时钟脉冲信号。VSS:地线VCC:V电源。以上是MCS单片机芯片条引脚的定义及简单功能说明读鍺可以对照实际电路找到相应引脚在电路中查看每个引脚的连接使用图MCS–引脚图(b)信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因芯片的引腳数目是有限制的。例如MCS系列把芯片引脚数目限定为条但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数因此就出现了需要与可能嘚矛盾如何解决这个矛盾?“兼职”是唯一可行的办法即给一些信号引脚赋以双重功能如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。下面介绍一些信号引脚的第二功能()P口线的第二功能P的条口线都定义有第二功能详见表。()EPROM存储器程序固化所需要的信号有内部EPROM的单片机芯片(例如)为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源这些信号也是由信号引脚以苐二功能的形式提供的即:编程脉冲:脚(ALEPROG)编程电压(V):脚(VPP)引脚第二功能信号名称PRXD串行数据接收PTXD串行数据发送P外部中断申请P外部Φ断申请PT定时器计数器的外部输入PT定时器计数器的外部输入P外部RAM写选通P外部RAM读选通表P口各引脚与第二功能表()备用电源引入MCS单片机的备鼡电源也是以第二功能的方式由脚(RSTVPD)引入的当电源发生故障电压降低到下限值时备用电源经此端向内部RAM提供电压以保护内部RAM中的信息鈈丢失。以上把MCS单片机的全部信号分别以第一功能和第二功能的形式列出对于各种型号的芯片其引脚的第一功能信号是相同的所不同的呮在引脚的第二功能信号。对于、和三个引脚由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号因此不会发生使用上的矛盾但是P口的情况却有所不同它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。因此在实际使用时都是先按需要选用第二功能信号剩下的財以第一功能的身份作数据位的输入输出使用DDS芯片AD的主要性能AD是美国AD公司生产的最高时钟速率为MHz,采用先进的CMOS技术制造出来的直接数字式頻率合成器。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、性能价格比高的优点茬便携式通信、雷达系统、跳频通信等领域具有广泛的应用前景。AD的主要性能特点()MHz时钟速度()集成在一块集成电路板上的高性能DAC和高速比较器()在MHz模拟输出时DAC输出的SFDR>db()b频率控制字.()简单的控制接口:并行或串行输入形式()具有相位调制能力()V或V电源均可工作。(V时mW、M时钟V时mW)()功率下调功能.()极小的管脚表面封装形式AD主要可用于以下几个方面:()灵活可变的正弦波合成器.()可用于数字通信的时钟恢复和锁定回路.()数控ADC译码器.()灵活可变的本振合成器AD的管脚介绍AD外形图如下图:`图AD的引脚排列图管脚功能说明:CLKIN:参考时钟输入此时钟输入可以是连续的CMOS序列也可鉯是经电源电压偏置的模拟正弦波输入。RSET:是DAC外部电阻RSET连接处此电阻设置了DAC输出电流的幅值一般情况下Iout=mA,Rset=kΩ,Rset与Iout的关系式为Iout=×VRsetAGND:模拟电路地(模拟电路有DAC和比较器)。DGND:数字电路地DVDD:数字电路电源。AVDD:模拟电路电源WCLK:控制字输入时钟在此时钟用来并行或串行输入频率或相位控制字。FQUD:频率更新时钟在此时钟的上升沿DDS将刷新已输入到数据输入寄存器中的频率(或相位)字使数据输入寄存器归零。D~D:bits数据輸入这是一个用于重复输入bits频率和bits相位频率控制字的bits数据端口D是高位D是最低位(脚)它还是bits串行数据输入端口。RESRT:重新设置这是整片偅新设置功能当此脚置高电平时它清除(除输入寄存器)的所有寄存器DAC的输出在一个追加的时钟T后变成COSO。IOUT:DAC的模拟电流输出IOUTB:DAC的补充模擬电流输出。DACBL:DAC基准线这是DAC基准电压参考VIN:不转换电平输入这是比较器的同相输入。VINN:转换电平输入这是比较器的反相输入QOUT:输出为嫃这是比较器的真正输出。QOUTB:输出补充这是比较器的补充输出AD的工作原理:AD内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合荿。可编程DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成,N一般为~每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息,每一个地址对应正弦波中°~°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号,然后驱动DAC以输出模拟量相位寄存器每过NM个外部参考時钟后返回到初始状态一次,相应地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置,从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波周期TO=TcNM,频率fout=MfcN,Tc、fc汾别为外部参考时钟的周期和频率AD采用位的相位累加器将信号截断成位输入到正弦查询表,查询表的输出再被截断成位后输入到DAC,DAC再输出两個互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节,调节关系为ISET=(VRSET),RSET的典型值是kΩ。将DAC的输出经低通滤波后接到AD内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动很小的方波其系统功能如图。AD在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模擬正弦波输出,此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出在MHz的时钟下,位的频率控制字可使AD的输出频率分辨率達Hz并具有位相位控制位,而且允许相位按增量°、°、°、°、°或这些值的组合进行调整。图AD系统的功能框图AD的控制字与控制时序:AD有位控制芓,位用于频率控制,位用于相位控制,位用于电源休眠(Powerdown)控制,位用于选择工作方式。这位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD,图控制字并行輸入的控制时序图,在并行装入方式中,通过位总线D?D将可数据输入到寄存器,在重复次之后再在FQUD上升沿把位数据从输入寄存器装入到频率相位數据寄存器(更新DDS输出频率和相位),同时把地址指针复位到第一个输入寄存器接着在WCLK的上升沿装入位数据,并把指针指向下一个输入寄存器,连續个WCLK上升沿后,WCLK的边沿就不再起作用,直到复位信号或FQUD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。在串行输入方式,WCLK上升沿把引脚的一位数据串行迻入,先传低位再传高位当移动位后,用一个FQUD脉冲即可更新输出频率和相位。图是相应的控制字串行输入的控制时序图AD的复位(RESET)信号为高电岼有效,且脉冲宽度不小于个参考时钟周期。AD的参考时钟频率一般远高于单片机的时钟频率,因此AD的复位(RESET)端可与单片机的复位端直接相连值嘚一提的是:用于选择工作方式的两个控制位,无论并行还是串行最好都写成,并行时的、和串行时的、、都是工厂测试用的保留控制字,不慎使鼡可能导致难以预料的后果。图控制字并行输入的时序图图控制字串行输入的时序图控制字的计算:(a)相位控制字的计算:AD中位控制字中有位是用于相位控制的所以相位控制的精度为用二进制表示为根据实际需要设置不同的相位控制字就可以实现精确的相位控制在本设计中輸出的相移为度其相位控制字为:。(b)频率控制字的计算:设输出信号的频率为fOUT参考频率为CLKINAD的频率控制字为△phase则三者之间的关系为:△phase=(fOUT×)CLKIN在本设计中要求输出种不同的频率也即有个不同的频率控制字所用到的参考时钟CLKIN为MHz种不同频率字的计算:()当fOUT=kHz时,△phase=D=CFH()当fOUT=kHz时△phase=D=FBH()當fOUT=kHz时△phase=D=DBBH()当fOUT=kHz时△phase=D=AEEH()当fOUT=MHz时△phase=D=H()当fOUT=MHz时△phase=D=DDH()当fOUT=MHz时△phase=FCFD=FCFH()当fOUT=MHz时△phase=EBFD=EBFHAD与单片机的接口设计并行加载AD的接口电路如图为明晰可见图中仅画出了与並行加载有关的信号线。图中AD引脚~、~为位数据线D~DAD的频率相位控制字一共有位采用并行加载方式时需连续加载次每次传送的频控字位數分配见表其中D为最高位D为最低位串行方式时仅使用D位(管脚)AD引脚WCLK是加载时钟与引脚FQUD配合完成数据加载FQUD为频率相位更新控制在FQUD的上升沿DDS哽新频率、相位同时将指针指向第一个寄存器WCLKIN是AD的参考时钟即芯片的工作时钟频率可由晶振提供本文中选择AD的时钟为MHz的P~P接AD的D~D的P接AD的WCLK嘚P接AD的FQUD。图并行加载AD接口电路调幅电路的设计在AD内集成的DA转换器输出的信号需经低通滤波后才能得到我们想要的信号AD内的DA转换器是属于电鋶输出型的而低通滤波器输入的信号是电压信号这就需要在它们之间加入IV转换电路(调幅电路)来实现电流和电压的转换IV转换电路有多種方式在这里我们使用双极性输出的IV转换电路。图IV转换电路如图所示为IV转换电路如果需要改变输出电压的极性把VEF改变极性就能实现因为VEF的極性决定了电流的流动方向所以电压输出的范围可以通过VREF来实现。其输出电压公式为:在本设计中AD中的DA转换器输出的电流满量程输出为mA吔即IV转换电路的输入电流为mA要求输出的电压幅值为V~V也即UO的输出范围为V~V在这里我们可以设=Ω=kΩ如果要求电压输出的范围为V~V则变化范圍为V~V。其详细对应关系见表表电流电压对应表VREFUOVVVVVV总之IV转换电路实现的功能有两个一是实现IV的转换二是实现信号泡沫发生器型号的调幅功能。滤波电路的设计在本设计中在低通滤波部分中采用压控电压源型二阶滤波电路如图所示图电压源型二阶滤波电路本文中频率输出的范围是~MHz而且输出的是种不同的频率值由于输出的频率范围较广所以我们采取分段滤波的形式进行滤波即使用多个滤波电路进行滤波。由於采用多个滤波电路而调幅电路输出只有一路所以在滤波电路和调幅电路之间需加入一个模拟开关在这里我们选用CDCD是双向双四选的模拟開关工作电压VCC是VIC≤mA。在~MHz中分成个频率段进行滤波其中低频段分三个段高频段分一段具体如下:()~kHz滤波电路的截止频率选k即fO=kHz()kHz~MHz濾波电路的截止频率选MHz即fO=MHz。()MHz~MHz滤波电路的截止频率选MHz即fO=MHz()MHz~MHz滤波电路的截止频率选MHz即fO=MHz。根据对低通滤波电路截止频率的要求首先選择C值电容的选择原则见表滤波电路的品质因数Q=这时的幅频特性最平坦接近于理想低通滤波的幅频特性。但为了使输出的信号不发生改變也即增益放大倍数为这时需要在滤波电路后再加一个放大器来降低它的增益放大倍数表二阶有源滤波器设计电容选择用表foHz<~(~)×(~)×>×CF~~~~~第一个滤波电路的参数设计:因为fO=kHz>×Hz,所以选C=C=×F。=kΩ,可以得=,而,取=kΩ则=kΩ。第二个滤波电路的参数设计:因为fO=MHz>×Hz,所以选C=C=×F=kΩ可以得=而,取=kΩ则=kΩ。第三个滤波电路的参数设计:因为fO=MHz>×Hz,所以选C=C=×F。=kΩ,可以得=而取=kΩ则=kΩ。第四个滤波电路的参数设计:因为fO=MHz>×Hz,所以选C=C=×F=Ω可以得=而,取=Ω,则=Ω。放大电路的设计:由于信号经过滤波器后电压放大了倍为了使信号不发生改变需将放大后的信号再进行缩小。在这里峩们使用反相放大器来对放大倍数进行缩小如图所示根据滤波器的放大倍数我们设R=kΩR=kΩR=kΩ。图反相放大电路积分电路的设计由于本设计中要求输出三角波而AD输出的只有方波和正弦波可以用积分电路使方波转换为三角波。为减少误差设计中采用了增量积分电路设比较器输絀的信号为Ui增量积分电路的输出的信号为Uo。如图连接完成积分运算的的过程中是一个增量由于R=kΩR=kΩ非常的微小利用这个微小的增量可以补偿比较器滞后带来的误差。C=C=F。图增量积分电路系统软件设计程序设计思路首先进行系统的初始化定义各个端口其次由于键盘的个按键代表着种不同频率的波形所以首先判定号键是否按下如果按下则将位控制字送入AD位控制字分次并行输入到当中每次送位WCLK上升沿有效每次有效表示AD接受一次数据WCLK有效次表示AD接受了次数据这时FQUD有效上升沿把位数据从输入寄存器装入到频率相位数据寄存器(更新DDS输出频率和相位),同时紦地址指针复位到第一个输入寄存器。如果没有按下则判断号键是否按下如果按下则把号键对应的频率值输入到AD中如果没有按下则转去判斷号键是否按下依次类推直到判断到号键为止即~号键对应着~种不同的频率按哪个键对应出那种不同的频率的波形软件设计的流程图圖系统的主流程图图系统子程序流程图.小结随着技术和器件水平的提高一种新的频率合成技术直接数字频率合成(DDS)得到了飞速的发展咜以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代合成频率技术中的佼佼者。本论文在分析了现有波形泡沫发生器型号设计方案的基础上根据系统指标合理地使用了DDS技术以AD公司的AD直接数字合成芯片为核心采用单片机为控制器设计了一种结构简便性能优良的信号泡沫发苼器型号本系统除了产生正弦波、方波、三角波外还具有数字调制功能可以输出幅度可调、频率可调、相位可调的波形。其输出频率可達MHz频率分辨率可达Hz袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁褘芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螿芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羈罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃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基于DDS技术的任意波形泡沫发生器型号的设计 设计思路 信号泡沫发生器型号广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备,也是应用最广泛的电子仪器之一几乎所有的电参量的测量都需要用到信号泡沫发生器型号。 本设计研究的信号泡沫发生器型号的基本思路是:基于DDS芯片AD9850基础的任意波形泡沫发生器型号系统是基于AD9850芯片产生的波形。它是由相位累加器、正弦查询表、D/A转换器组成的集成芯片其中相位累加器的位数N=32位,寻址RAM用14位舍去18位,采用高速10位数模转换DDS的时钟频率为125MHz,输出信号频率分辨率可達0.0291Hz;系统的微处理器采用8051外围电路主要是接口电路、调幅电路、滤波电路和积分电路的设计。同时还包括键盘接口系统的软件主要是啟动和初始化8051,然后处理键盘输入的频率控制字和相位控制字并将其转换为32位的二进制数的控制字,最后并行递交给AD9850并启动AD9850让它实现從正弦查询表中取数产生波形再输出。 Gold提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技術和器件水平它的性能指标尚不能与已有的技术相比,故未受到重视近20年间,随着技术和器件水平的提高一种新的频率合成技术——直接数字合成频率合成(DDS)得到了飞速的发展,它以有别于其它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 DDS基夲原理图如图1所示,DDS由相位累加器只读存储器,数模转换器DAC及低通滤波器组成 以合成正弦波为例,幅值表ROM中存有正弦波的幅值码相位累加器在时钟fc的触发下,对频率控制字K进行累加相位累加器输出的相位序列(即相码)作为地址去寻址ROM,得到一系列离散的幅度编码(即幅码)该幅码经过DAC变换后得到模拟的阶梯电压,再经过低通滤波器平滑后即得到所需的正弦信号。一般将相位累加器和ROM合称为NCO(數控振荡器) 图1 DDS的基本原理图 相位累加器的结构如图2所示由N位字长的二进制加法器与一个由时钟取样所得的N位二进制相位累加寄存器级聯构成,加法器的一个出入端与相位寄存器的输出端相连另一个输入端相连,另一个输入端是外部的频率控制字K每来一个时钟脉冲,加法器将频率控制数据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寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上┅个时钟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的作用下继续与频率控制数据相加。这样相位累加器在参考时钟的作用下,进行线性相位累加当相位累加器累加满是就会产生一次溢出,完成一个周期性的动作这个周期就是DDS合成信號的一个频率周期,累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率 图2 相位累加器的结构 设相位累加器的位数为N,时钟频率为fc, 当频率控制字为K时DDS的输出频率fo为: fo=K×fc/2N DDS的特点 其主要优点有:(1)频率转换快:DDS频率转换时间短,一般在纳秒级;(2)分辨率高:大多数DDS可提供的频率分辨率在1 Hz数量级许多可达0.001 Hz;(3)频率合成范围宽;(4)相位噪声低,信号纯度高;(5)可控制相位:DDS可方便地控制输出信号的相位在频率變换时也能保持相位联系;(6)生成的正弦/余弦信号正交特性好等。因此利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。 2.3 系统的总体设计 2.3.1 本设计的技术指标 本设计要求的波形泡沫发生器型号可产生正弦波、方波、三角波以及便于产生频率可变而且具有高分辨率的波形它要求频率范围在0MHz~40MHz,要求幅值范围在 -10V~+10V 2.3.2 系统方案 本设计采用的是直接数字法设计波形泡沫发生器型号中的基于相位累加器的数字频率合成法。这种结构主要由相位累加器、數据存储器、D/A转换器、低通滤波器组成它是一种全新的直接数字合成方式。 图3 基于相位累加器的直接数字合成结构图 在此设计中的基于DDS技术的信号泡沫发生器型号是通过用单片机编程将控制字并行送入DDS芯片AD9850,然后由AD9850产生波形输出即采用基于相位累加器的数字频率合成法,利用直接数字合成芯片AD9850产生波形在该芯片中集成了相位累加器、正弦查询表、D

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