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正文內(nèi)容

基于dds的可掃頻移相信號發(fā)生器的畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2025-07-17 12:30 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 析 信號發(fā)生器的基礎 信號發(fā)生器的分類凡是產(chǎn)生測試信號的儀器,統(tǒng)稱為信號源,也稱為信號發(fā)生器,它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號。在測試、研究或調(diào)整電子電路及設備時,為測定電路的一些電參量,如測量頻率響應、噪聲系數(shù),為電壓表定度等,都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號,以模擬在實際工作中使用的待測設備的激勵信號。信號發(fā)生器是許多電子設備特別是測試設備必備的一部分,用以輸入基準源信號給被測設備,通過接收被測設備返回的信息,來分析研究被檢測設備的情況。信號發(fā)生器可以根據(jù)輸出波形的不同,劃分為正弦波信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器等四大類。正弦信號是使用最廣泛的測試信號。這是因為產(chǎn)生正弦信號的方法比較簡單,而且用正弦信號測量比較方便。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器;按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器(即信號源)、標準信號發(fā)生器(輸出功率能準確地衰減到100分貝毫瓦以下)和功率信號發(fā)生器(輸出功率達數(shù)十毫瓦以上);按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。低頻信號發(fā)生器:包括音頻(200~20000赫)和視頻(1赫~10兆赫)范圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用RC式振蕩器,也可用差頻振蕩器。為便于測試系統(tǒng)的頻率特性,要求輸出幅頻特性平和波形失真小。高頻信號發(fā)生器:頻率為 100千赫~30兆赫的高頻、30~300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器,頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機的技術(shù)指標。輸出信號可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號調(diào)幅或調(diào)頻,使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。微波信號發(fā)生器:從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調(diào)管產(chǎn)生,但有逐漸被微波晶體管、場效應管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機械調(diào)諧腔體來改變頻率,每臺可覆蓋一個倍頻程左右,由腔體耦合出的信號功率一般可達10毫瓦以上。掃頻和程控信號發(fā)生器:掃頻信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線性變化的信號。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠控等工作方式。頻率合成式信號發(fā)生器:這種發(fā)生器的信號不是由振蕩器直接產(chǎn)生,而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標準頻率源,利用頻率合成技術(shù)形成所需之任意頻率的信號,具有與標準頻率源相同的頻率準確度和穩(wěn)定度。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成,變換頻率迅速但電路復雜,最高輸出頻率只能達1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標準頻率源通過鎖相環(huán)控制電調(diào)諧振蕩器(在環(huán)路中同時能實現(xiàn)倍頻、分頻和混頻),使之產(chǎn)生并輸出各種所需頻率的信號。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器,配上多種調(diào)制功能(調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相),加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路,便構(gòu)成一種新型的高性能、可程控的合成式信號發(fā)生器,還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。函數(shù)發(fā)生器:又稱波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形(主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等)信號。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。對這些函數(shù)發(fā)生器的頻率都可電控、程控、鎖定和掃頻,儀器除工作于連續(xù)波狀態(tài)外,還能按鍵控、門控或觸發(fā)等方式工作。 脈沖信號發(fā)生器:產(chǎn)生寬度、幅度和重復頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器,可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時級、脈沖形成級、輸出級和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路,除能自激振蕩外,主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號之后首先輸出一個前置觸發(fā)脈沖,以便提前觸發(fā)示波器等觀測儀器,然后再經(jīng)過一段可調(diào)節(jié)的延遲時間才輸出主信號脈沖,其寬度可以調(diào)節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖或分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。隨機信號發(fā)生器:隨機信號發(fā)生器分為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器兩類。噪聲信號發(fā)生器: 完全隨機性信號是在工作頻帶內(nèi)具有均勻頻譜的白噪聲。噪聲信號發(fā)生器主要用途是:①在待測系統(tǒng)中引入一個隨機信號,以模擬實際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能;②外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù);③用隨機信號代替正弦或脈沖信號,以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。例如,用白噪聲作為輸入信號而測出網(wǎng)絡的輸出信號與輸入信號的互相關(guān)函數(shù),便可得到這一網(wǎng)絡的沖激響應函數(shù)。偽隨機信號發(fā)生器:用白噪聲信號進行相關(guān)函數(shù)測量時,若平均測量時間不夠長,則會出現(xiàn)統(tǒng)計性誤差,這可用偽隨機信號來解決。當二進制編碼信號的脈沖寬度T足夠小,且一個碼周期所含T個數(shù)N很大時,則在低于=1/T的頻帶內(nèi)信號頻譜的幅度均勻,稱為偽隨機信號。只要所取的測量時間等于這種編碼信號周期的整數(shù)倍,便不會引入統(tǒng)計性誤差。二進碼信號還能提供相關(guān)測量中所需的時間延遲。偽隨機編碼信號發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級移位寄存器組成,所產(chǎn)生的碼長為 。最具有代表性的是m序列。 ROM與波形數(shù)據(jù).:先將已經(jīng)數(shù)字化的正弦波(或三角波、方波)信號的幅度值數(shù)據(jù)存儲在波形存儲器ROM或RAM中,然后在標準時鐘的作用下,通過控制電路按照一定的地址關(guān)系從ROM中讀出相應的波形數(shù)據(jù)。如果一個存儲器(這里以ROM為例)有n條地址線,則這個存儲器的存儲空間為。假如在個存儲單元內(nèi)存放了一個周期的正弦波形數(shù)據(jù),則每個單元內(nèi)的數(shù)據(jù)就表示正弦值的大小,這種存儲器稱為波形數(shù)據(jù)存儲器。如果重復地從0~ l單元讀出波形數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù),在波形數(shù)據(jù)存儲器的輸出端就會得到周期的正弦序列,如果再將周期的正弦序列輸入到D/A轉(zhuǎn)換器,則會在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到連續(xù)的正弦波形。輸出正弦序列的周期是由讀取數(shù)據(jù)的時鐘頻率決定的。設CLK為加于波形數(shù)據(jù)存儲器的時鐘,該時鐘的周期為,則其頻率為。顯然,時鐘頻率越高,讀取波形數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)一個周期的數(shù)據(jù)所用的時間就越短,則D/A轉(zhuǎn)換器得到的正弦信號的頻率就越高。波形數(shù)據(jù)ROM波形數(shù)據(jù)0000000001 0000000011 0000000000 0000000001 時鐘尋址空間地址譯 碼 存儲器中的數(shù)據(jù)與波形的關(guān)系示意圖 信號發(fā)生器的組成.如圖2. 2所示為很簡單的一個波形發(fā)生器的系統(tǒng)組成,時鐘,輸入二進制計數(shù)器,生成波形數(shù)據(jù)存儲器所需的地址信號,地址信號的產(chǎn)生頻率正比于時鐘頻率。計數(shù)器的輸出在0~1之間周而復始地變化,從而使波形數(shù)據(jù)存儲器輸出周期的正弦序列,D/A轉(zhuǎn)換器則輸出連續(xù)的模擬正弦電壓波形。模擬波形輸出n位時鐘二進制計數(shù)器波形數(shù)據(jù)存儲器D/A轉(zhuǎn)換圖 波形發(fā)生器的系統(tǒng)組成圖2. 3是輸出的波形的頻率與時鐘頻率的關(guān)系圖,其數(shù)學表達式是 (2 1)t 一周期的正弦波形與時鐘周期的關(guān)系知 。 也即 (2 2) DDS的原理在實際問題中,如果連續(xù)改變時鐘頻率的值,就可以得到一個頻率連續(xù)變化的周期信號。用LRC組成的雖然可以得到一個連續(xù)變化的時鐘,但其頻率穩(wěn)定性很不好,且不可能得到一個寬范圍變化的時鐘信號。如果用晶體振蕩器作為時鐘,可以得到穩(wěn)定度極高的時鐘,但又不能滿足頻率可變的要求。如圖2. 4所示的電路是傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖,由四個部分組成:計數(shù)器或地址發(fā)生器(這里為方便說明選擇8位)、正弦信號數(shù)據(jù)ROM(8位地址線,8位數(shù)據(jù)線)含有256個8位數(shù)據(jù)(一個周期)、8位D/A時鐘CLK模擬波形輸出正弦數(shù)據(jù)ROM8位計數(shù)器(地址發(fā)生器)D/A轉(zhuǎn)換圖2. 4 正弦信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖傳統(tǒng)的正弦信號發(fā)生器的數(shù)學方法是利用一片ROM和一片DAC,再加上地址發(fā)生計數(shù)器和寄存器即可。在ROM中,每個地址對應的單元的內(nèi)容(即是波形數(shù)據(jù))都對應正弦波的離散采樣值,ROM中必須包含完整的正弦波采樣值,而且還要避免在按照地址讀取ROM內(nèi)容是可能引起的不連續(xù)點,避免量化噪聲集中于基頻的諧波上。時鐘頻率輸入地址發(fā)生器和寄存器,地址計數(shù)器所選中的ROM的地址中的內(nèi)容被鎖入寄存器,寄存器的輸出經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成連續(xù)信號,即由各個臺階重構(gòu)的正弦波,若相位精度n比較大,則重構(gòu)的正弦波經(jīng)適當平滑后失真很小。當發(fā)生變化,則D/A輸出的正弦波的頻率就隨之改變,并且輸出的正弦波信號的頻率的改變僅決定于的改變。我們可根據(jù)這個適當?shù)恼{(diào)整輸出頻率。為了使控制輸出頻率更加方便,可以采用相位累加器,使得輸出頻率正比于時鐘頻率和相位增量之積。 為采用了相位累加器的直接數(shù)字合成系統(tǒng),設正弦波的相位精度位n位,則其分辨率為,在通過時鐘頻率每次讀取相位圓周上個點,讀出ROM中所存儲的正弦波的振幅值,再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換重構(gòu)正弦波,通過LPF(低通濾波器)濾波。同步寄存器相位字N位N位正弦數(shù)據(jù)ROM同步寄存器MMD/AN頻率字寄存器相位調(diào)制器CLK系統(tǒng)時鐘相位累加器 采用了相位累加器的直接數(shù)字合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖相位累加器的作用是在讀取數(shù)字相位圓周上各點時可以每間隔M個點讀取一個數(shù)值, 的頻率字。則在D/A輸出端所得的正弦波頻率是 (2 3)通常式(2 3)中的n取值在24~32之間, 相位累加器位寬和采樣點關(guān)系可知,相位分辨率至少是1/16777216,也即相當于度。相位增量值可預置,通過相位累加器,選取ROM的地址時可間隔選通。相位寄存器輸出的位數(shù)一般取10~16位,也即是截斷式的方法,這樣可以減少ROM的容量。 相位累加器位寬和采樣點關(guān)系 相位寄存器增量 M相位累加器寬度采樣點數(shù)82561240961665536201048576241677721628268435456324294967296:系統(tǒng)時鐘可來自PLL提供,使得DDS的各種部件同步工作。DDS的相位累加器由一個N位長的二進制加法器和一個由時鐘的采樣的N位寄存器組成,作用是對頻率控制字線性累加。波形存儲器ROM中存儲的是波形查詢碼,對應的是不同相位碼輸出的波形幅度編碼。相位控制字是對輸出頻率字的偏移(也即是相位調(diào)制),相位調(diào)制器輸出輸出的序列對波形存儲尋址,得到波形幅度編碼,該波形幅度編碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到對應的階梯波形,再經(jīng)過LPF平滑濾波后可得到所需的模擬波形。相位累加器在系統(tǒng)時鐘作用下,進行線性相位累加,當相位累加器加滿時就會產(chǎn)生溢出,這樣就完成了一次循環(huán),輸出了一個周期波形。 DDS的時域分析設有一頻率為f的正弦信號S(t): (2 4)現(xiàn)以采樣頻率對該信號進行采樣,得到離散序列為: n=0,1,2........ (2 5)其中,為采樣周期。式(25)對應的相位為: n=0,1,2.......... (2 6)顯然可知該相位序列的顯著特性是線性變化的,即相鄰樣值之間的相位增量是一常數(shù),且僅與信號頻率f有關(guān),相位增量為 n=0,1,2.......... (2 7)從前面分析式(23)可知,我們希望得到的信號的頻率是與參考頻率滿足以下關(guān)系: (M,P均為正整數(shù)) (2 8)那么式(27)又可以改寫為: (2 9)由上式知,若將的相位均勻量化為M等份,則頻率為的正弦信號以頻率采樣后,其量化序列的樣本之間的量化相位增量為一不變的值P。 那么,根據(jù)以上原理,如果我們用不變量P構(gòu)造一個量化序列 n=0,1,2.......... (2 10)那么對應的序列為: (2 11)上式是連續(xù)時間信號S(t)經(jīng)采樣頻率為采樣后的離散時間序列。根據(jù)采樣定理(Nyquist定理),若 (2 12)時,S(n)經(jīng)過低通濾波器平滑后,可唯一恢復出S(t)。通過上述變換,不變量P將唯一地確定一個單頻模擬正弦信號S(t): (2 13)該信號頻率為 (2 14)這也就是直接數(shù)字頻率合成(DDS)合成的過程。實際中,數(shù)控合成頻率中,那么式(211)又可改寫為: (2 15)將式(23)與所推導的式(212)對比我們可發(fā)現(xiàn),剔除字母區(qū)別,兩者實質(zhì)是相同的。由上面的分析,DDS可由下列兩次變換來實現(xiàn):(1) 從不變量P以時鐘產(chǎn)生量化的相位序列,該過程可由一個以作時鐘的N位相位累加器來實現(xiàn)。.(2)從離散量化的相位序列產(chǎn)生對應的正弦信號的離散幅度序列,這個過程可由對波形ROM 的尋址來完成,不變量P被稱為頻率控制字。把輸出的量化的數(shù)字波形經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過低通濾波器就得到頻率為人的余弦信號。當P = 1 時,DDS輸出最低頻率〔也即頻率分辨率)為,因此,只
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