【正文】 ................................................................54 改進(jìn)及后續(xù)工作 .....................................................................54參考文獻(xiàn) ..................................................................................55附 錄. .....................................................................................56致 謝. .....................................................................................71江西理工大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0第一章 緒 論 頻率合成技術(shù)的發(fā)展 [1]頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通訊電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一，很多電子設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)都直接依賴于所用頻率合成器的性能，因此人們常將頻率合成器喻為電子系統(tǒng)的“心臟” ，它在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航、廣播電視、遙控遙測(cè)、儀器儀表等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。二十世紀(jì)以來(lái)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各類電子系統(tǒng)對(duì)頻率合成器的要求也越來(lái)越高，對(duì)相位噪聲、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、頻率分辨率、相對(duì)工作帶寬、體積及功耗等多種指標(biāo)同時(shí)提出了很高的要求，推動(dòng)了頻率合成技術(shù)在二十世紀(jì)的飛躍發(fā)展。頻率合成的就是由一個(gè)或幾個(gè)參考頻率通過一些轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)頻率信號(hào)的過程。頻率合成器一般分為直接式、間接式、直接數(shù)字式三種基本類型。它包括相干頻率合成和非相干頻率合成兩種方式。非相干頻率合成器采用多個(gè)參考頻率源，這樣在需要產(chǎn)生多個(gè)頻率穩(wěn)定度和精度都相同的頻率源時(shí)，實(shí)現(xiàn)相當(dāng)復(fù)雜和困難，所以直接相干式應(yīng)用較多，而直接非相干式現(xiàn)在己基本被淘汰。近幾年隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，直接模擬頻率合成器體積得到了相應(yīng)減小，因此還具有一定的發(fā)展前景。間接模擬頻率合成技術(shù)就是一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)頻率源，通過諧波發(fā)生器、混頻、分頻等變換，產(chǎn)生大量的諧波或組合頻率，然后用鎖相環(huán)(PLL)將頻率鎖定在某一諧波或組合頻率上。此外，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的壓控振蕩器(VCO)具有高的短期頻率穩(wěn)定性，而標(biāo)準(zhǔn)頻率源具有高的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度，鎖相環(huán)頻率合成器將二者結(jié)合在一起，江西理工大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1使得合成信號(hào)的穩(wěn)定度大大提高。不過由于鎖相環(huán)存在捕獲時(shí)間問題，其頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，單環(huán)頻率合成器的頻率間隔不可能做得很小，使之很難適用于高速、超高速的技術(shù)要求。上世紀(jì) 70 年代提出的直接數(shù)字頻率合成理論是頻率合成史上的第二次革命。隨著電子工程領(lǐng)域的實(shí)際需要和數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，DDS 技術(shù)日益顯露出它的優(yōu)越性?，F(xiàn)今的 DDS 芯片具有很高的頻率捷變速度、很寬的相對(duì)帶寬、很高的頻率分辨率、輸出相位連續(xù)，可編程和全數(shù)字化便于單片集成、并且可以輸出正交信號(hào)?？梢灶A(yù)料將來(lái) DDS 產(chǎn)品的時(shí)鐘頻率將越來(lái)越高，雜散會(huì)越來(lái)越低，價(jià)格也將更低，DDS 產(chǎn)品將會(huì)得到普遍的應(yīng)用和發(fā)展。目前，在國(guó)外己經(jīng)將直接數(shù)字頻率合成技術(shù)視作頻率合成的發(fā)展方向，成為研究熱點(diǎn)，一系列性能優(yōu)越的直接數(shù)字頻率合成產(chǎn)品相繼問世。例如，利用 DDS 加混頻器擴(kuò)頻、DDS 十 PLL 混合、雙路 DDS 正交相乘輸出、多路 DDS 并行輸出等。DDS 和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合，組成各種混合方案，將頻率源的性能提高到了一個(gè)新的水平?；贒DS 的系統(tǒng)也相繼問世。工作在 2GHz 頻率的低功耗芯片組件 DDS 適用于無(wú)線通信。頻率合成是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部分。低相噪、高純頻譜和高速捷變的頻率合成器一直是頻率合成技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)，DDS 技術(shù)的發(fā)展將有力地推動(dòng)這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。本文運(yùn)用 DDS 技術(shù)構(gòu)成高分辨率的智能函數(shù)信號(hào)源，可以產(chǎn)生任意波形的周期性信號(hào)，能靈活控制信號(hào)的頻率、幅值和相位，并且在很寬的頻率范圍內(nèi)快速切換頻率。能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和鋸齒波以及調(diào)幅波、調(diào)頻波等任意信號(hào)。作者采用直接數(shù)字合成技術(shù)研制了一種任意波形發(fā)生器，具有波形質(zhì)量好和頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，能很好的應(yīng)用于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究及教學(xué)。鍵盤和顯示是智能信號(hào)源區(qū)別于傳統(tǒng)信號(hào)源在面板上最突出的特點(diǎn)。? 強(qiáng)輸出能力。? 自檢、自診功能。? 自校和自修正。 本文工作要點(diǎn)本文對(duì)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)與智能函數(shù)信號(hào)源進(jìn)行了深入的研究，各章內(nèi)容如下：江西理工大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3第一章闡述了頻率合成技術(shù)的發(fā)展，比較了各種頻率合成技術(shù)，簡(jiǎn)述了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的現(xiàn)狀。第三章詳細(xì)闡述了基于 DDS 原理的智能函數(shù)信號(hào)源的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，給出了原理框圖及硬件電路圖。第五章闡述了系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)的思路和程序流程圖。總結(jié)了一些制版的注意點(diǎn)。江西理工大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4第二章 直接數(shù)字合成的原理與結(jié)構(gòu) DDS 基本結(jié)構(gòu)與原理 [1]直接數(shù)字頻率合成 DDS( Direct Digital Frequency Synthesis)技術(shù)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)。從本質(zhì)上來(lái)說，它是由設(shè)置的可編程的二進(jìn)制控制字對(duì)參考時(shí)鐘做除法運(yùn)算。所以可以認(rèn)為 DDS 就是數(shù)字信號(hào)處理理論的延伸，是數(shù)字信號(hào)中信號(hào)綜合的硬件實(shí)現(xiàn)問題。DDS 的基本結(jié)構(gòu)如 圖 所示。N 位加法器頻率控制字 KN 位寄存器Fc l k相位值圖 相位累加器結(jié)構(gòu)圖每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖 ，加法器將頻率控制字 K 與寄存器輸出的累加相位clkF數(shù)據(jù)相加，再把相加后的結(jié)果送至寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。這樣，相位累加器在時(shí)鐘的作用下，進(jìn)行相位累加，當(dāng)相位累加器累加滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作。定義相位累加器的 0 狀態(tài)為 0 相位，則相位累加器的滿偏狀態(tài)定義為 2π。不同的頻率控制字 K，導(dǎo)致相位累加器的不同相位增量，這樣從 ROM 輸出的正弦波形的頻率就不同。例如：如果參考時(shí)鐘頻率為 1MHz， DDS 中的相位累加器的位數(shù)為 24，則最小的頻率分辨率為：(2—13). Hz 05962146?但是如果采用十進(jìn)制，則不會(huì)出現(xiàn)這樣的問題。目前己經(jīng)有廠商生產(chǎn)累加器為十進(jìn)制的 DDS 芯片，但是它的 ROM 尋址方式較復(fù)雜，而且造成存儲(chǔ)器的大量浪費(fèi)。2) 波形存儲(chǔ)器波形存儲(chǔ)器主要完成信號(hào)的相位序列 Φ(n)到幅度序列 S(n)的轉(zhuǎn)化。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的取樣地址，進(jìn)行波形的相位一幅值轉(zhuǎn)換，即可在給定的時(shí)間上確定輸出的波形的抽樣幅值。相位一幅度變換原理圖如 圖 所示：正弦 R O M 表尋址數(shù)據(jù)N 位相位值D 位幅值圖 相位一幅度變換原理圖 3) D/A 轉(zhuǎn)換器江西理工大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）6D/A 轉(zhuǎn)換器的作用是把己經(jīng)合成的正弦波的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。4) 低通濾波器對(duì) D/A 輸出的階梯波 S(t)進(jìn)行頻譜分析，可知 S(t)中除主頻 fo 外，還存在分布在 fc、2f c兩邊177。5) 高速比較器在正弦波的輸出接入一個(gè)高速比較器，能產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的方波，可以作為一個(gè)高精度的基準(zhǔn)頻率源。我們以產(chǎn)生正弦信號(hào)的 DDS 技術(shù)來(lái)說明 DDS 的基本原理，設(shè)有一個(gè)頻率為 f 的正弦信號(hào) S(t)： (2—1))2()(ftSint??現(xiàn)以采樣頻率 fc 對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，得到離散序列為： (2—2))()(cfTi其中 Tc = 1/fc 為采樣周期。根據(jù)以上原理，如果我們用不變量 K 構(gòu)造一個(gè)量化序列： (2—7)n?)(然后完成 Φ(n)到另一序列 S(n)的映射，即由 Φ(n)構(gòu)造序列： (2—8))2()2()(2)( cfnTSiMnSiSin ?????式(2— 8)是連續(xù)時(shí)間信號(hào) S(t)經(jīng)采樣頻率為 fc 采樣后的離散時(shí)間序列。可見，通過上述變換，不變量 K 將唯一地確定一個(gè)單頻模擬正弦信號(hào) S(t)： (2—9))2()(MtfSintc??該信號(hào)頻率為 (2—10)K foc式(2— 10)就是直接數(shù)字頻率合成(DDS)的方程，在實(shí)際的 DDS 中，一般取M = 2N，N 為正整數(shù)，于是 DDS 方程可寫成 (2—11)N fco2?由上面的分析，DDS 可由下列兩次變換來(lái)實(shí)現(xiàn)：1）從不變量 K 以時(shí)鐘 fc 產(chǎn)生量化的相位序列。2）從離散量化的相位序列產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的正弦信號(hào)的離散幅度序列，這個(gè)過程可對(duì)由式(2— 7)的映射關(guān)系所構(gòu)成的波形 ROM 進(jìn)行尋址來(lái)完成。不變量 K 被稱為相位增量，也叫頻率控制字。因此，只要 N 足夠大，DDS 可以得到很細(xì)的頻江西理工大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8率間隔。DDS 的最大輸出頻率由 Nyquist 采樣定理決定，即 fc/2，也就是說 K 的最大值為 2N1。事實(shí)上，在 DDS 的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，相位累加器的所有輸出位并沒有全部送到查找表，一般只取高位，這樣既減少查找表的規(guī)模，又不影響系統(tǒng)的頻率分辨率。在 DDS 系統(tǒng)中最重要的是對(duì)帶寬和頻率純度之間的折中。所以，對(duì) DDS 輸出頻率分頻就可以減小帶寬并且提高頻譜純度。 DDS 頻譜雜散分析理想的 DDS 處理過程滿足下列三個(gè)條件：1) 相位累加器輸出的位數(shù)沒有被截位，即用全部的累加器輸出來(lái)尋址波形存儲(chǔ)表。3) DAC 的分辨率無(wú)窮大，不存在轉(zhuǎn)換誤差，完全理想。 相位截?cái)嘣肼晱纳弦还?jié)的分析中我們可知，在 DDS 技術(shù)中為了得到較高的頻率分辨率，相位累加位數(shù)一般都比較多，但是僅用它的高 N 位進(jìn)行 RAM 尋址，而低位被截掉，這樣就導(dǎo)致了相位截位噪聲的產(chǎn)生。式(2—14)為實(shí)際得到的數(shù)字碼，其中 K 為相位控制碼： (2—14))2][2sin()AKS???也可以寫作： )i()NE?? (2—15)江西理工大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9由公式(2 —14)和(2—15)可得到： (2—16)AAnKnKnE2mod)(2][)( ?????上面公式中 為理想的數(shù)字碼，E(n)稱為相位截位誤差，2si?由此可見相位截位的位數(shù)越多，則截位誤差越大。通過提高時(shí)鐘頻率或采用插值的方法增加每個(gè)周期中的點(diǎn)數(shù)(過采樣)，可以減少這些雜波分量。在討論相位截位所引起的雜散誤差時(shí)，我們假設(shè) ROM 中所存儲(chǔ)的數(shù)字是精確的模擬數(shù)值，即 ROM 的位數(shù)是無(wú)窮大，而實(shí)際上在 ROM 中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是模擬信號(hào)被量化的結(jié)果。量化誤差所引起的量化失真，我們用輸出信號(hào)與量化噪聲功率之比 SQR 來(lái)衡量。注意 SQR 只給出信號(hào)功率與噪聲功率之比，并未描述雜散的分布及最大的噪聲電平。如果 DAC 不是滿幅度輸出，而是以滿幅的 l /FSmax 輸出，由于噪聲能量恒定，所以會(huì)引起 SQR 下降：(2—19)) (dBg(??另外，量化誤差的能量一定時(shí)，提高取樣頻率也就是過度采樣，如由 Fs 上升到 Fsos 會(huì)使噪聲能量在更寬的頻率范圍內(nèi)分布，從而改善信號(hào)頻帶內(nèi)的信噪比(SQR) ，即滿足：(2—20)) (d()g(S ??? DAC 非線性特性噪聲DAC 的性能誤差也會(huì)引起 DDS 頻譜雜散。目前還不能精確地計(jì)算 DAC 非線性特性所造成的誤差。改善 DAC 雜散抑制己成為 DDS 領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，但由于難以從數(shù)學(xué)上給出 DAC 的理論模型，所以很多研究都是停留在經(jīng)驗(yàn)上。 其他雜散分量，包括時(shí)鐘泄漏，時(shí)鐘相位噪聲的影響等系統(tǒng)時(shí)鐘，特別是 DDS 的參考時(shí)鐘不可避免地在芯片內(nèi)部逐級(jí)藕合，從而出現(xiàn)在 DDS 的輸出譜中。 DDS 優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn) DDS 的優(yōu)點(diǎn)（1）輸出頻率相對(duì)帶寬教寬輸出頻率帶寬為 50% （理論值） 。sf（2）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短DDS 是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無(wú)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)間很短。因此，頻率時(shí)間等于頻率控制字的傳輸，也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。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)。sf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。（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)生了沖突，因而保持了信號(hào)相位的持續(xù)性。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、鋸齒波和舉行波甚至是任意的波形。（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)比較高。目前市場(chǎng)上采用CMOS，TTL ，ECL 工藝制作的 DDS 芯片，工作頻率一般在幾十 MHz 至400MHz 左右。2) 輸出雜散大，由于 DDS 采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了雜散。 任意波形發(fā)生 AWG 原理運(yùn)用 MCU 控制技術(shù)，采取數(shù)字方式產(chǎn)生信號(hào)的任意波形發(fā)生器(arbitrary waveform generator，AWG) ，工作過程可簡(jiǎn)述為：在控制器上通過輸入信號(hào)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)或調(diào)用描述信號(hào)波形的表達(dá)式產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，存入波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在控制器控制下，