【正文】 9852 內(nèi)部的 DDS核心部件輸出的數(shù)字信號，經(jīng)過內(nèi)部集成的 DAC 將數(shù)字信 號轉(zhuǎn)換為模擬信號， DAC的輸出波形呈階梯狀，階梯的形成是由于 DAC在下一次采樣到來前進行的采樣保持造成的，這種頻譜為 SINC 包絡。加法器的長度決定了相位控制字的位數(shù)，即相位的分辨率。時鐘乘法器外部有環(huán)路濾波器包括 K的電阻和 的電容，對時鐘乘法器 PLL 進行補償 ,使得整個環(huán)路的性能達到最佳。 圖 DDS功能模塊圖 由圖 可知， AD9852 主要包括以下各功能模塊 : 1. 可編程 REFCLK乘法器 :用戶可以直接提供給 AD9852穩(wěn)定的高頻率時鐘源也可以為低價的低頻率時鐘源，經(jīng)過時鐘乘法器倍頻到所需的系統(tǒng)時鐘頻率，最 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 9 高時鐘為 300MHz。 AD9852 還提供 14 位的數(shù)字控制的相位調(diào)制。 AD9852的頻率控制字達到 48位，所以它的頻率分辨率可為 1uHz 。 AD9852 是具有高集成度的 DDS芯片，內(nèi)部結(jié)合有高速性能的 DAC 和一個比較器，構(gòu)成了一個數(shù)字可編程的合成器。 DDS 芯片的選擇 專用 DDS 芯片有很多種類，有并行輸入和串行輸入的，單片 DDS 和雙 DDS集 成的。它的一個主要缺點西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 8 是合成的信號頻率較低， 在高頻情況下會產(chǎn)生波形衰減。很 多集成 DDS 器件都具有數(shù)字調(diào)制功能。因此，對于任意周期性波形， 只要滿足采樣定理，那么不管該波形形狀如何，都可以通過更新波形查詢表中的 數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。若在正弦波形查詢表 ROM中存入所需要的 其它波形查詢表。對于大慣性的控制系統(tǒng)，相位的突變還會造成對系統(tǒng)的沖擊。 PLL的相位雖然是連續(xù)的，但因 VCO的惰性，頻率轉(zhuǎn)換時間較長。 (4)DDS 具有在頻率轉(zhuǎn)換時相位保持連續(xù)的特點 從 DDS 的原理可知， 在改變 DDS 的輸出頻率時，實際上改變的是每次的相位增量，即改變相位函數(shù)的增長速度。 (3) DDS 具有極短的頻率轉(zhuǎn)換時間 DDS 是一個開環(huán)系統(tǒng)， 無反饋環(huán)節(jié)，因此合成頻率的轉(zhuǎn)換時間主要由低通濾波 器的延遲時間來決定， 這使得 DDS的調(diào)諧時間比用鎖相環(huán)合成頻率的方法要快幾個數(shù)量級。如果是采用鎖相合成技術(shù)實現(xiàn)相同的分 辨率，則得采用較復雜的小數(shù)分頻電路，使設備變得復雜龐大。由公式 (1)可知， 當 K =1 時， F即為頻率分辨率，它只由參考時鐘頻率 和相位累加器的位數(shù)決定。單位時間內(nèi)取樣量越大，則合成的頻率越低。 DDS 的特點 DDS 是現(xiàn)代新型的頻率合成技術(shù)，具有模擬頻率合成和鎖相環(huán)技術(shù)無法比擬的 優(yōu)點，是改善和簡化頻率合成技術(shù)的有力工具。 如果 K 值變?yōu)?0111. . .1111，那么經(jīng)過 21個參考時鐘后，相位累加器溢出。相位累加器在參考時鐘的作用下，不斷對頻率控制字進行線性相位累加，當相位累加器產(chǎn)生一次溢出時，則完成一次周期性操作，這個周期就是 DDS 合成信號的周期，相位累加器的溢出頻率就是 DDS 輸出的頻率。當需要改變輸出頻率時，只需改變相位的增量值即可。由于相位累加器的輸出并不能直接產(chǎn)生正 弦波或其它波形，它的輸出是線性增加的階梯信號，因此需要通過相位 —— 幅度查詢表 (波形查詢表 )將 相位累加器輸出的相位信息轉(zhuǎn) 換成相對應的正弦波的幅度信息。相位累加器是線性輸出的，所以矢量圍繞 “相位輪”的旋轉(zhuǎn)也是線性的。 為了理解相位累加器的功能，我們可以將這個正弦振蕩器想象成一個矢量圍繞著相位輪旋轉(zhuǎn)，“相位輪” 上的點與正弦波周期內(nèi)相等相位的幅度量化點相對應。 DDS 器件的核心是相位累加器，它相當于一個數(shù)控振蕩器。相位累加器在系統(tǒng)時鐘 fc 的控制下以步長 K作累加，輸出的 N 位二進制碼與相位控制字 P、波形控制字 W 相加后作為波形 ROM 的地址，對波形 ROM 進行尋址，波形 ROM 輸出D位的幅度碼 S(n)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換器變成階梯波 S(t),再經(jīng)低通濾波器平滑后就可以得到合成的信號波形。 一個直接數(shù)字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲 ROM、 D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器（ LPF）構(gòu)成。使用 DDS 技術(shù)得到的合成信號不僅信號的頻率切換速度快，便于程控，還可以方便的合成其它周期性的任意波形信號。實質(zhì)上它是按照可編程頻率控制字所設定的比例因數(shù)，在 DDS體系結(jié)構(gòu)中對參考時鐘源進行分頻，得到所需頻率的信號。充分挖掘軟件的功能，利用軟件代替部分硬件電路，用現(xiàn)代的設計方法完成整個系統(tǒng)的設計。 3 .信號的輸出處理技術(shù) : 對 DDS 芯片輸出的模擬信號進行控制，實現(xiàn)穩(wěn)幅輸出。直接 頻率合成技術(shù)的缺點是它需要采用很多帶通濾波器，結(jié)構(gòu)復雜，體積大容易產(chǎn)生過多的諧波和雜散 分量，大多數(shù)硬件的非線性影響無法濾除。直接式相關(guān)頻率合成器只有一個頻率參考源，合成器所需產(chǎn)生的頻率由這個參考源經(jīng)過分頻、混頻、倍頻后而產(chǎn)生，這樣的方式產(chǎn)生的各個頻率的精度和穩(wěn)定度與參考頻率源一致 。 最早的直接頻率合成技術(shù)是用硬件對高穩(wěn)定的參考頻率源進行加、減、乘、除得出所需頻率，可實現(xiàn)快速頻率轉(zhuǎn)換、高頻率分辨率。頻率合成的概念就是 由一個或幾個參考頻率通過一些轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個或多個頻率信號的過程。采用這種方法設計的信號源可工作于調(diào)制狀態(tài)，可對輸出電平進行調(diào)節(jié)，也可輸出各種波形。而現(xiàn)在要求信號源能產(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、使用方便及可由計算機控制。作為電子系統(tǒng)必不可少的 信號源， 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” 。例如在無線電通信系統(tǒng)中，蜂窩通信頻段在 912MHz 并以 30kHz 步進。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 2 第 1 章 緒論 在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，經(jīng)常要用一些信號作為測量基準信號或輸出信號。 本文通過 STM32 來實現(xiàn)對 DDS 芯片 AD9852 控制，來產(chǎn)生 10 MHz 頻率內(nèi)的正弦信號、調(diào)幅信號、調(diào)頻信號、 ASK 及 PSK信號。與其他頻率合成方法相比 ,DDS 具有頻率轉(zhuǎn)換時間極短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化易于集成等突出優(yōu)點。 DDS 的概念首先由美國學者 J .Tierney 等人提出 ,它不同于前兩種頻率合成方法。西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 1 前 言 頻率源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中占有十分重要的地位 ,通信、雷達、制導等電子系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及性能指標的好壞都直接依賴于頻率源的性能。頻率源的性能是伴隨著頻率合成技術(shù)的進步而發(fā)展的 ,頻率合成技術(shù)主要有直接合成、鎖相頻率合成 直接數(shù)字合成 (DDS)三種方式。它是把一系列數(shù)字量形式的信號通過 DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號的合成技術(shù)。因此 ,它得到越來越廣泛的應用 ,成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。 并通過使用 AD8370 及 AD811來實現(xiàn)對幅度的控制。隨著科學技術(shù)的發(fā)展， 現(xiàn)代電子測量對信號源頻率準確度和穩(wěn)定度的要求越來越高。為此，信號頻率穩(wěn)定度的要求必須優(yōu)于 10?6。傳統(tǒng)的信號源采用振蕩器，只能產(chǎn)生少數(shù)幾種波形，自動化程度較低，且儀器體積大，靈活性與準確度差。 為此可采用直接數(shù)字頻率合成 ( Direct Digital Synthesis ， 簡稱 DDS)技術(shù)，把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準確度提高到與基準頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進行精細的頻率調(diào)節(jié)。 頻率合成技 術(shù)的研究歷史與發(fā)展現(xiàn)狀 頻率合成技術(shù)的理論形成于二十世紀三十年代左右，如今已有七十多年的發(fā)展史。 在經(jīng)歷了直接頻率合成 ,鎖相環(huán) ( PLL: Phase Locked Loop) 等發(fā)展階段后， 如今廣泛使用的是直接數(shù)字頻率合成技術(shù)。它又包括直接式相關(guān)頻率合成器和直接式非相關(guān)頻率合成器。直接式非相關(guān)頻率合 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 3 成器采用多個參考頻率源， 這樣需要產(chǎn)生多個頻率穩(wěn)定度和精度都相同的頻率源。 本課題的主要研究工作 本課題的主要研究工作是研制一個高性能、 穩(wěn)定的 DDS 信號發(fā)生器，具體內(nèi) 容包括 : 技術(shù)的工作原理及波形產(chǎn)生技術(shù) :研究 DDS 的工作原理，利用 DDS 芯片設計并實現(xiàn)整個系統(tǒng)， 產(chǎn)生正弦波、方波 、 2ASK 、 2FSK 、 2PSK 等各種波形， 2 .微控制器 技術(shù) :研究 ST 公司的 32 位 ARM STM32F103V8T6 的原理及工作特性，實現(xiàn)鍵盤接口電路和波形產(chǎn)生控制電路。 4 .軟件設計 : 利用單片機控制整個系統(tǒng)的工作過程，通過軟件編程對輸出電路進行誤差補償，提高信號發(fā)生器的精度和準確度。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 4 第二章 DDS 技術(shù)的基本 原理 概述 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)改變了以往的采用 RC 振蕩電路、直接頻率合成、鎖相環(huán)等傳統(tǒng)的頻率合成方法，它以固定的精確時鐘源為基準，利用數(shù)字處理模塊產(chǎn)生頻率和相位均可調(diào)的輸出信號。典型的頻率控制字一般為 24 48 位長， 用來提供更優(yōu)越的頻率分辨率，實現(xiàn) DDS技術(shù)。 DDS 的基本工作原理 直接數(shù)字頻率合成器原理簡介 直接數(shù)字頻率合成器是從相位概念出發(fā)直接 合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。 DDS 原理框圖如下圖所示： 圖 DDS原理框圖 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 5 其中 K為頻率控制字、 P為相位控制字、 W 為波形控制字 、 fc 為參考時鐘頻率、 N為相位累加器的字長、 D為 ROM 數(shù)據(jù)位及 D/A 轉(zhuǎn)換器的字長。合成的 信號 波形形狀 取決于波形 ROM 中存放的幅度碼，因此 DDS 可以產(chǎn)生任意波。如圖 2 .2 所示，相位累加器由 N 位可 變模計數(shù)器和相位寄存器組成。當這個矢量以恒定的速度圍繞相位輪旋轉(zhuǎn)時，一個相應的正弦波就可以產(chǎn)生了。相位輪上離散的相位點數(shù)由相位累加器的位數(shù) N決定。 大多數(shù)DDS 體系結(jié)構(gòu)利用正弦波的對稱性，將相位累加器輸出的四分之一周期的數(shù)據(jù)通過映射技術(shù)合成出整個周期的波形。相位的增量值，即矢量旋轉(zhuǎn)的速度完全由頻率控制字 K決定。舉例來說，對于 N =32 位的相位累加器，如果 K 取值為 000. . . 0001， 那么需要經(jīng)過 232個參考時鐘累加器可溢出。 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 6 圖 DDS內(nèi)部結(jié)構(gòu) DDS 輸出的頻率可由下面的公式計算得出 : Fout = K2N Fc (21) 其中， Fout表示輸出頻率， k 為二進制頻率控制字， Fc表示內(nèi)部參考時鐘， N為相位累加器的長度。基 DDS的結(jié)構(gòu)和工作原理，可以看出它具有下列特點 : (1) DDS 具有極高的頻率分辨率 從原理上可以看出， DDS 是用高穩(wěn)定的固定時鐘頻率對所要合成的信號進行相位取樣的。取樣量的大小是由可程控的頻率控制字決定的。 對于一個 48位的相位累加器來說，當系統(tǒng)時鐘為幾百兆赫茲時，可以方便的實現(xiàn)幾 uHz的分辨率。 (2) DDS 具有極寬的相對帶寬 根據(jù)采樣定理， DDS 的最高輸出頻率應小于采樣時鐘頻率的 1 /2 ，在實際應用中，考慮到低通濾波器的非線性影響，因此一般只能達到 Fc的 40% ，此時 DDS 的相對帶寬為 西北工業(yè)大學明德學院本科畢業(yè)設計論文 7 fomaxfomin = 2N ?40% (22) 對于一個 48位的相位累加器來說，這個數(shù)字是一個天文數(shù)字，其超寬的相對帶寬是傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)無法比擬的。這是 DDS 系統(tǒng)的一個非常重要的特點， 更擴大了它的應用。當頻率控制字 K 從 K1變?yōu)?K2之后，它是在已有積累相位之上再次累加一個相位，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其斜率發(fā)生了突變，因而保持了輸 出信號相位的連續(xù)性。在現(xiàn)代雷達、跳頻等通信系統(tǒng)的應用中，當頻率捷變時，如果相位是連續(xù)的，可以避免相位信息的丟失，相位的不連續(xù)會導致頻譜的擴散，不利于頻譜資源的有效利用。 (5)DDS 具有任意波形輸出能力 從前面的 DDS 結(jié)構(gòu)框圖可以看出， DDS 之所以輸出的是正弦波，完全是由正弦波形查詢表 ROM 中所存的函數(shù)決定的。 DDS 就可輸出相應的周期性波形。 (6)DDS具有數(shù)字調(diào)制功能