【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸入數(shù)據(jù)經(jīng) g(t)的成形濾波再加上載波頻率就生成頻率調(diào)制值 0F ，這種方式實(shí)現(xiàn) GMSK 調(diào)制，比正交調(diào)制簡(jiǎn)單而且直接準(zhǔn)確地生成波形，兼實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便和精度高的特點(diǎn)。 由于 DDS 中 NCO 的相位，幅度都是數(shù)字的，所以用 DDS 非常易于實(shí)現(xiàn)靈活的高精度的數(shù) 字調(diào)制，如 FSK， MFSK， ASK， PSK， QPSK， QAM， GMSK 等。其調(diào)制方式非常方便，調(diào)制質(zhì)量非常好?；?DDS 的調(diào)制系統(tǒng)可將頻率合成和數(shù)字合成合二為一，系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，成本，復(fù)雜度也大大降低。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 9 頁(yè) 共 32 頁(yè) 正因?yàn)?DDS 的這些特點(diǎn)，在通信系統(tǒng)，跳頻和擴(kuò)頻系統(tǒng)，電子戰(zhàn)和干擾系統(tǒng)，多譜勒和線形調(diào)頻雷達(dá)，無線電和電視廣播設(shè)備， HDTV 以及測(cè)試設(shè)備等系統(tǒng)中必將會(huì)有非常廣泛的用途，尤其是，它很適宜用于數(shù)控多譜勒加到達(dá)角探測(cè)系統(tǒng)中。 DDS 性能 相對(duì)于傳統(tǒng)的合成技術(shù)而言，直接數(shù)字頻率（ DDS）由于采用了數(shù)字處理 技術(shù)，因而能夠避免許多傳統(tǒng)技術(shù)的不足。相對(duì)于直接模擬合成和鎖相環(huán)而言，直接數(shù)字頻率（ DDS）主要就有以下特點(diǎn)： (1) 輸出頻率相對(duì)帶寬較寬 輸出頻率帶寬為５０％ｆ s（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計(jì)難度以及對(duì)輸出信號(hào)雜散的抑制，實(shí)際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到４０％ｆ s。 (2) 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短 ＤＤＳ是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得ＤＤＳ的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短。事實(shí)上，在ＤＤＳ的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率轉(zhuǎn)換的時(shí) 間等于頻率控制字的傳輸時(shí)間，也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。ＤＤＳ的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)納秒數(shù)量級(jí)，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。 (3) 頻率分辨率極高 若時(shí)鐘ｆ s 的頻率不變，ＤＤＳ的頻率分辨率就由相位累加器的位數(shù)Ｎ決定。只要增加相位累加器的位數(shù)Ｎ即可獲得任意小的頻率分辨率。目前， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 10 頁(yè) 共 32 頁(yè) 大多數(shù)ＤＤＳ的分辨率在１Ｈｚ數(shù)量級(jí)，許多小于１ｍＨｚ甚至更小。 （４）相位變化連續(xù) 改變ＤＤＳ輸出頻率，實(shí)際上改變的每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻 率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性。 （５）輸出波形的靈活性 只要在ＤＤＳ內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制ＦＭ、調(diào)相控制ＰＭ和調(diào)幅控制ＡＭ，即可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＡＳＫ和ＭＳＫ等信號(hào)。另外，只要在ＤＤＳ的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當(dāng)ＤＤＳ的波形存儲(chǔ)器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，既可得到正交的兩路輸出。 （６）其他優(yōu)點(diǎn) 由于ＤＤＳ中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、 體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。 目前已集成化的 DDS 芯片主要有 CMOS 型， TTL 型， ECL 型以及 GaAs 型等 ，其中 GaAs 型稀密度 ， 甚高速 ， 信噪比可達(dá) 40– 75dB， ECL 型低密度集成 ，速度較高 ， 而 CMOS 型價(jià)格便宜 ， 速度較低。而 各大芯片制造廠商都相繼推出采用先進(jìn) CMOS 工藝生產(chǎn)的高性能和多功能的 DDS 芯片（其中應(yīng)用較為廣泛的是 AD 公司的 AD985X 系列），為電路設(shè)計(jì)者提供了多種選擇。 目前國(guó)內(nèi)能買到的多為 CMOS 型低價(jià)的 DDS 芯片，它的工作頻率較低，不過隨著集成制造技 術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的 CMOS 型 DDS 芯片的最高工作頻率已可達(dá)數(shù)百兆赫 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 11 頁(yè) 共 32 頁(yè) 茲，完全可以滿足數(shù)控多譜勒加到達(dá)角探測(cè)系統(tǒng)對(duì)頻率源的要求?，F(xiàn)在 DDS的工作速度主要受到 D/A 變換器的限制。 而本文采用的是 AD 公司生產(chǎn)的 AD9851 芯片來實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)的。 2 課題總體方案設(shè)計(jì)及論證 設(shè)計(jì)任務(wù)及初步規(guī)劃設(shè)計(jì) 本 課題是利用高性能 DDS 芯片設(shè)計(jì)頻率范圍在 0～ 10 MHz，并能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)頻、調(diào)幅的信號(hào)源。要求其頻率穩(wěn)定度小于等于 106 在對(duì)本課題總體規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，主要可分成以下幾塊： (1) 控制電路的設(shè) 計(jì)，其主要功能是完成對(duì) DDS 芯片的控制，包括頻率控制字，相位控制字等的數(shù)據(jù)輸入信號(hào)以及頻率更新和字輸入時(shí)鐘端等的控制信號(hào)。這些控制信號(hào)可以由 PC 機(jī)，單片機(jī)，可編程邏輯器件 PLD，或者常規(guī)的數(shù)字邏輯電路來產(chǎn)生。 PLD 是由用戶在工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行編程的邏輯器件，在產(chǎn)品研制的未定型階段，這種方式比較靈活，常規(guī)的數(shù)字邏輯電路最簡(jiǎn)單，價(jià)格最便宜，最容易上手，但不夠靈活。而單片機(jī)具有體積小，可控性高，控制功能強(qiáng)，使用方便，性價(jià)比較高等諸多優(yōu)點(diǎn)，我準(zhǔn)備采用常用的控制電路的芯片 AT8951 單片機(jī)來完成控制部分的功能。 (2) 參 考時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。參考頻率源可選用普通晶體振蕩器，溫補(bǔ)晶體振蕩器或恒溫控制晶體震蕩器等。其中恒溫控制晶體震蕩器的性能指標(biāo)最好，但體積最大，價(jià)格也最貴，而普通晶體振蕩器雖價(jià)格便宜，但其頻率穩(wěn)定度通常較低，所以在工程實(shí)際中，一般采用溫補(bǔ)晶體振蕩器作為 DDS 的參考時(shí)鐘輸入比較合適。 (3) 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。系統(tǒng)電源可由直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供，為了安全起見， 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 12 頁(yè) 共 32 頁(yè) 在電源的后面接上穩(wěn)壓塊，由穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓到電路所需的電壓值。直流電源的紋波越小，對(duì)提高 DDS 的性能就越有好處。 (4) 正弦信號(hào)發(fā)生電路。本課題首先要用 DDS 芯片產(chǎn)生一頻 率穩(wěn)定且可調(diào)的正弦信號(hào)，因此正弦信號(hào)性能的好壞直接決定了該設(shè)計(jì)是否符合技術(shù)指標(biāo)要求，還有進(jìn)一步的調(diào)幅性能的好壞。鑒于 2 中對(duì) DDS 芯片 AD9851 的介紹，用該芯片便可在理論上具有可行性。 (5) 波形的整定電路設(shè)計(jì)。實(shí)際設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上，由于輸入 DDS 芯片的參考時(shí)鐘脈沖效果不理想， DDS 相位截?cái)嗾`差 ,幅度量化誤差和 DAC 的非線形，輸出信號(hào)存在不同程度的相位噪聲和雜散信號(hào)，因此在設(shè)計(jì)中，在 DDS 輸出的輸出信號(hào)之后加一低通濾波器，濾除不必要的噪聲干擾。 (6) 調(diào)幅電路設(shè)計(jì)。調(diào)幅是本設(shè)計(jì)一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，用前面正弦信 號(hào)輸出作為調(diào)幅載波，利用 RC 振蕩器產(chǎn)生一定頻率的正弦信號(hào)作為調(diào)幅信號(hào)，利用乘法器將調(diào)幅信號(hào)調(diào)制到載波頻率上。 方案提出及系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)方案 (1)． 常見信號(hào)源制作方法 方案 一 ：采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器 MAX038，可產(chǎn)生正弦波，方波，三角波，通過調(diào)整外部元件可改變輸出頻率，但采用模擬器件由于分散性太大，即使使用單片函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)也揶揄外部元件有關(guān)，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差，精度不高，抗干擾能力較低成本較高。 方案 二 ：采用鎖相式頻率合成方案，鎖相 式頻率合成是將一個(gè)高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加減乘除的運(yùn)算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 13 頁(yè) 共 32 頁(yè) 大量離散頻率的技術(shù)，它在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確，又要頻率在較大范圍內(nèi)可變的矛盾，但頻率受 VCO可變頻率范圍響，高低頻率比不可能作得很高。 方案 三：采用 DDS，即直接數(shù)字頻率合成，其原理方框圖如圖 ： 圖 它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(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、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 ,正因如此，我們采用方案三。 (2) 調(diào)頻電路 方案 一 ： D/A控制 地 址 產(chǎn) 生 RAM D/A 基準(zhǔn)輸出 D/A 輸出 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 14 頁(yè) 共 32 頁(yè) 此方案預(yù)先測(cè)試和計(jì)算好產(chǎn)生固定頻率所需的控制電壓，為方便控制將它量化存于 ROM之中，在需要時(shí)利用單片機(jī)控制 D/A轉(zhuǎn)換即可完成，此方案設(shè)計(jì)的是一個(gè)開環(huán)的系統(tǒng)，他的穩(wěn)定性不好，且頻率步進(jìn)無法做得很小。 方案 二 ：壓控振蕩器 壓控振蕩器的輸出頻率是隨著輸入電壓的改變而改變的，鑒于此，如果用調(diào)制信號(hào)來控制壓控振蕩器的輸入電壓 ，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。這樣顯然簡(jiǎn)單而容易控制，且精度較高。 方案三：通過軟件實(shí)現(xiàn) 還可以完全通過改變 DDS 的頻率控制字的方法來實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)。這種方法不需要硬件電路，只是通過軟件設(shè)計(jì)及鍵盤預(yù)設(shè)一定頻率，由單片機(jī)來控制改變 DDS 頻率控制字參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。因此考慮采用本方案。 (3) 調(diào)幅電路 方案 一 采用分立器件實(shí)現(xiàn)，但其電路制作繁復(fù)且性能不甚理想。 方案 二 用模擬乘法器 MC1496實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)對(duì)載波信號(hào)的幅度調(diào)制，由于輸出正弦波頻率非常 高，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，從 1K到 1MHZ 得出的波形是很好，但從 1MHZ至 10MHZ時(shí)由于輸出幅度不夠，波形明顯失真。 (4) 顯示模塊 方案一 采用普通 LED 顯示，其優(yōu)點(diǎn)是操作方便，但顯示信息及功能少，且耗電量大。 方案二 采用液晶（ LCD）顯示，界面形象清晰，內(nèi)容豐富，可顯示復(fù)雜字符，易于和單片機(jī)接口，且耗電少。 故選用該方案。 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 15 頁(yè) 共 32 頁(yè) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)通過單片機(jī)控制 AD9851 頻率控制字實(shí)現(xiàn)頻率合成，經(jīng)低通濾波器濾除噪聲和雜散信號(hào)就可得到比較純正的正弦信號(hào)。同時(shí)，調(diào)制正弦波信號(hào)通過單 片機(jī) AD 采樣后，并行輸入改變 DDS 芯片頻率控制字就可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，基本不需要外圍電路，且最大頻偏可由軟件任意改變。得到效果比較好的正弦波信號(hào)以后，再通過乘法器設(shè)計(jì)的一個(gè)調(diào)幅器完成對(duì)信號(hào)的調(diào)幅操作。整個(gè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如下圖 所示： 圖 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖 AT89C51 鍵 盤 LCD 顯示 AD9851 LPF 乘法器 調(diào)幅 信號(hào) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 16 頁(yè) 共 32 頁(yè) 3 硬件電路設(shè)計(jì) 直接數(shù)字頻率合成模塊 這里我們采用的是 AD 公司的 DDS 系列芯片之一的 AD9851，其優(yōu)異的功能，尤其是其先進(jìn)的 CMOS 工藝，使其得到廣泛的應(yīng)用。