【正文】 .............................................................................................. 20 軟件調(diào)試 ......................................................................................................... 21 測試結(jié)果 ......................................................................................................... 27 6 總 結(jié) ......................................................................................................................... 30 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 31 致 謝 ............................................................................................................................. 32 基于 DDS 的函數(shù)發(fā)生器 1 1 引言 選題背景 在電子技術(shù)領(lǐng)域中，經(jīng)常要用一些信號(hào)作為測量基準(zhǔn)信號(hào)或輸入信號(hào)，也就是所謂的信號(hào)源。信號(hào)源有很多種，包括正弦波信號(hào)源、函 數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號(hào)源等。作為電子系統(tǒng)必不可少的組成部分的信號(hào)源，在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因而常稱之為電子系統(tǒng)的“心臟”。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信號(hào)源的要求越來越高，要求其輸出頻率高達(dá)微波頻段甚至更高，頻率范圍從零 Hz到幾 GHz頻率分辨率達(dá)到 mHz甚至更小，相應(yīng) 的 頻點(diǎn)數(shù)更多 。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)到 ns 級(jí) :頻譜純度越來越高。同時(shí)，對(duì)頻率合成器功耗、體積、重量等也有更高的要求。而傳統(tǒng)的信號(hào)源采用振蕩器，只能產(chǎn)生少數(shù)幾種波形，自動(dòng)化程度較低，且儀器體積大、靈活性與準(zhǔn)確度差。而 現(xiàn)在要求信號(hào)源能產(chǎn)生波形的種類多、頻率高，而且還要體積小、可靠性高、操作靈活、使用方便及可由計(jì)算機(jī)控制。所以要實(shí)現(xiàn)高性能的信號(hào)源，必須在技術(shù)手段上有新的突破。 當(dāng)今高性能的信號(hào)源均通過頻率合成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，頻率合成技術(shù)有了新的突破 ,直接數(shù)字頻率合成技術(shù) (Direct Digital Synthesis DDS)，它是將先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理理論與方法引入到信號(hào)合成領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，它的出現(xiàn)為進(jìn)一步提高信號(hào)的頻率穩(wěn)定度提供了新的解決方法。同時(shí)，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤 其是單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能儀器也有了新的進(jìn)展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不斷提高直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)導(dǎo)致了頻率合成領(lǐng)域的一次重大革命。 直接數(shù)字頻率合成器問世之初，構(gòu)成 DDS 元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲這兩個(gè)主要缺點(diǎn)阻礙了 DDS 的發(fā)展與實(shí)際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對(duì) DDS的深入研究， DDS 的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達(dá)到鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃?。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其他頻率合成方法的優(yōu)越性能基于 DDS 的函數(shù)發(fā)生器 2 和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率 合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價(jià)比?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測、電子對(duì)抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。 信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源 ,廣泛應(yīng)用于電子測量、自動(dòng)控制和工程設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。隨著電子技術(shù)的發(fā)展 ,對(duì)信號(hào)源頻率的穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度以及頻譜純度的要求越來越高。 DDS(直接數(shù)字合成 )技術(shù)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù) ,與傳統(tǒng)的模擬 式波形產(chǎn)生法相比 ,它具有相位變換連續(xù)、頻率轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高、穩(wěn)定度高、相位噪聲小、便于集成、易于調(diào)整及控制靈活等多種優(yōu)點(diǎn)?；?DDS 技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器是一類新型信號(hào)源 ,它已成為眾多電子系統(tǒng)中不可缺少的組成部分 。 DDS 介紹 1971年，美國 J. Tierney等人撰寫的 A Digital Frequency synthesizer.一文首次提出了一種全新的數(shù)字技術(shù)，從相位概念發(fā)出合成所需波形的一種新原理。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件的限制，它的性能不能與已有的技術(shù)相比，故未受到重視。近一年間，隨著微電子 技術(shù)得到飛速發(fā)展，它以有別于其他頻率合成方法的性能和優(yōu)越性特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成的優(yōu)秀者。 DDS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理 DDS 的基本原理是利用采樣定量，通過查表法產(chǎn)生波形。 DDS 結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理用下 圖 1所示。 相位累加器由 N 位加法器和 N 位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成。沒一個(gè)時(shí)鐘脈沖fs，加法器將控制字 K 于累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器的下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對(duì)頻率控制字進(jìn)行相位加累加。由此可以看出， 相位累加器在每一個(gè)中輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位，相位累加器基于 DDS 的函數(shù)發(fā)生器 3 的出頻率就是 DSS 輸出的信號(hào)頻率， 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器（ ROM）的相位取樣地址。這樣就可以把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形 的 抽樣值 可 經(jīng)查表得出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出會(huì)送到 D/A 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量 的波形幅值轉(zhuǎn) 換成所需的波形頻率的模擬量。低通濾波器用于濾除不要的取樣分量，以 便于輸出頻譜純凈的信號(hào)。 DDS在相對(duì)帶寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，相位連續(xù)性，正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)的水平。 圖 1 DDS內(nèi)部原理框圖 DDS 的數(shù)學(xué)原理 設(shè)有一個(gè)頻率為 f 的 余弦信號(hào) )(tS ： )2cos()( ftS t ?? 現(xiàn)在以采樣頻率 cf 對(duì) )(tS 進(jìn)行采樣，得到的離散序列為： )2cos()( fnTS ?? ?2,1,0?n 其中cc fT1? 為采樣周期。 對(duì)應(yīng)的相位序列為 fnT?? 2)( ? ?,2,1,0?n 從上式可以看出相位序列呈線性，即相鄰的樣值之間的相位增量是一個(gè)常相位累加器 波形存儲(chǔ)器 D/A轉(zhuǎn)換器 低通濾波器 K fs 正弦波輸出 基于 DDS 的函數(shù)發(fā)生器 4 數(shù)，而且這個(gè)常數(shù)僅與信號(hào)的頻率 f 有關(guān)，相位增量為： fT?2)( ??? 因?yàn)樾盘?hào)頻率 f 與采樣頻率 cf 之間有以下關(guān)系： MKffc ? 其中 K 與 M 為兩個(gè)正整數(shù)，所以相位的增量也可以完成： MKn ?? 2)( ?? 由上式可知，若將 ?2 的相位均勻的分為 M 等份，那么頻率為 MKf ?2? 的余弦信號(hào)以頻率 cf 采樣后，它的量化序列的樣品之間的量化相位增量為一個(gè)不變值K 。 根據(jù)上述原理可以構(gòu)造一個(gè)不變量 K 為量化相位增量的量化序列： nKn ?)(? ?2,1,0?n 然后完成從 )(n? 到另一個(gè)序列 )(nS 的映射，由 )(n? 構(gòu)造序列： )2c os (2c os)(2c os)(cf nTKnKM nnS ???? ??? 公式（ 2— 1） 公式（ 21）是連續(xù)信號(hào) )(tS 經(jīng)采樣頻率為 cf 采樣后的離散時(shí)間序列，根據(jù)采樣定理，當(dāng)21?? MKffc時(shí)， )(nS 經(jīng)過低通濾波器平滑后，可唯一恢復(fù)出 )(tS 。 可見，通過上述變換不變量 K 將唯一的確定一個(gè)單頻率模擬余弦信號(hào))(tS ： M tKftS c?2cos)( ? 基于 DDS 的函數(shù)發(fā)生器 5 該信號(hào)的頻率為： MKff c?0 公式（ 2— 2） 公式（ 2— 2）就是直接數(shù)字頻率合成 （ DDS） 的方程式，在實(shí)際的 DDS 中，一般取 NM 2? ，于是 DDS方程就可以寫成： NcKff 20 ? 公式（ 2— 3） 根據(jù)公式（ 2— 3）可知，要得到不同的頻率只要通過改變 K 的具體數(shù)值就可以了，而且還可以得到 DDS 的最小頻率分辨率（最小頻率間隔）為當(dāng) 1?K 時(shí)的 輸出頻率： Ncresff 2? 可見當(dāng)參考頻率 cf 始終一定是，其分辨率由相位累加器的位數(shù) N 決定，若取 MHzfc 100? ， 32?N ，則 Hzfres ? ，即分辨率可以達(dá)到 ，這也是最低的合成頻率，輸出頻率的高精度 DDS 的一大優(yōu)點(diǎn)。 由奈奎斯特準(zhǔn)則可知，允許輸出的 最高頻率 2max co ff ?，即 12 ?? NK ，但實(shí)際上在應(yīng)用中受到低通濾波器的限制，通常 2max co ff ?，以便于濾波鏡像頻率，一般： co m a x f4 0 %f ?? 由此可見 DDS 的工作頻率帶較寬，可以合成從直流到 的頻率信號(hào)，同時(shí)它的輸出相位連續(xù)，頻率穩(wěn)定度高。 基于 DDS 的函數(shù)發(fā)生器 6 2 AD9850 介紹 芯片性能 隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，用數(shù)字控制方法 用 一個(gè)參考頻 率源產(chǎn)生多種頻率的技術(shù)，即直接數(shù)字頻率合成（ DDS）技術(shù)異軍突起。美國 AD 公司推出的高集成度頻率合成器 AD9850 便是采用 DDS 技術(shù)的典型產(chǎn)品之一。 AD9850采用先 進(jìn)的 CMOS 工藝，其功耗在 供電時(shí)僅為 155mW，擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為 40～ 80℃ ，采用 28 腳 SSOP 表面封裝形式。 AD9850 的引腳排列，圖 2為其組成框圖。圖 2 中層虛線內(nèi)是一個(gè)完整的可編程 DDS 系統(tǒng)，外層虛線內(nèi)包含了 AD9850 的主要組成部分。 AD9850 內(nèi)含可編程 DDS 系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊?DDS 系 統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和 1 個(gè) N 位相位寄存器組成， N 一般為 24～ 32。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長 M 遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中 0176。 ～ 360176。 范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng) DAC 以輸出模式量。相位寄存器每 經(jīng) 過 2N/M 外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相 應(yīng) 地正弦查詢表每 經(jīng)過 一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè) DDS 系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出的正 弦波周期 To=tc2N/M，頻率 fout=Mfc/2N， tc,fc分別為外部參考時(shí)鐘的周期和頻率。 AD9850 采用 32位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?14位輸入到