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高精度測量往往需采用高精度、高穩定性、高分辨率的頻率信號源。采用多個鎖相環構成的頻率合成器，電路復雜、價格昂貴，且信號建立時間長、動態特性較差。近年來發展起來的直接數字式頻率合成器(DDS)采用高速數字電路和高速D/A轉換技術，具有以往頻率合成器難以達到的優點，如頻率轉換時間短(＜20ns＝、頻率分辨率高(0.01Hz)、頻率穩定度高(10-7至10-8)、輸出信號頻率和相位可快速程控切換等，因此可以很容易地對信號實現全數字式調制。而且，由于DDS是數字化高密度集成電路產品，芯片體積小、功耗低，因此可以用DDS構成高性能頻率合成信號源而取代傳統頻率信號源產品。 我們采用Analog公司的AD9835 DDS專用芯片設計了一種由單片機及計算機控制的合成信號源，主要技術指標如下： 頻率范圍：0.1Hz～10MHz 頻率分辨率：0.1Hz 頻率穩定度：1×10-7 輸出幅度：0～±10V可調 輸出波形：正弦波、方波(TTL電平)、PSK、FSK、掃頻本信號源有可以任意切換的兩種控制方法：一種是用PC機上的并口傳遞控制指令及參數，為此我們用VB編寫了Windows 9x操作系統下的控制界面，通過該程序可以非常容易地設定各種控制參數；另一種是用單片機控制，通過面板按鈕設定參數和選擇功能菜單，便于野外脫機使用。 1 DDS工作原理 1.1 DDS技術 AD9835中使用的DDS技術是從連續信號的相位Φ出發，將一個余弦信號取樣、量化、編碼，形成一個余弦函數表儲存在ROM中。合成時改變相位增量，由于相位增量不同，一個周期內的取樣點數也不同，這樣產生的正弦信號頻率也就不同，從而達到頻率合成的效果。 在這里，余弦波信號本身是非線性的，而其相位是線性的(如圖1所示)。 因此，每隔一段時間Δt(時鐘周期)，有對應的相位變化ΔP，即 ΔP＝ωΔt＝2πfΔt ?1 從(1)式可得合成信號的頻率f為： f＝?ΔP×fmc/2π ?2 式中，fmc為固定時鐘頻率，fmc＝1/Δt，通過改變相位值ΔP就可以改變合成信號的頻率f。 DDS芯片AD9835原理框圖如圖2所示。 其中，相位累加器為32位，取其高12位作為讀取余弦波形存儲器的地址。每一次，時鐘使相位累加器的輸出也即余弦ROM尋址地址遞增頻率設定數據Ｋ，對應的波形相位變化為： ΔP＝2Πk/232 (3) 因此，改變相位累加器設定值K，就可以改變相位值ΔP，從而改變合成信號頻率f。經簡化，合成信號頻率由下式決定： f＝K·fmc/232 ?4 式中，fmc＝50MHz，用高穩定度晶體振蕩器獲得。K值在1＜K＜231之間。最低頻率為fmin＝fmc/232，本例為0.0116Hz，這也是本例的頻率分辨率；根據Nyquist采樣定律，重建信號頻率最高可達fmc/2，但通常取最高頻率為fmax＝fmc/3。 1.2 AD9835芯片內部結構 AD9835內部結構框圖如圖3所示 它有一個32位相位累加器，兩個32位頻率寄存器F0和F1(用于設定K值)，四個12位相位寄存器P0、P1、P2、P3。程控切換F0、F1時，可實現FSK和掃頻功能；程控切換P0、P1、P2、P3時，可實現相位PSK調制。余弦函數表儲存在ROM中。 32位相位累加器的輸出值截取高12位后與12位相位寄存器Pi值相加，構成12位的相位地址，去尋址余弦ROM表。尋址得到的幅度值經10位的高速D/A轉換后成為合成余弦信號。輸出信號S對所有DAC輸出噪聲N之比SNR主要與D/A的位數有關，即與數字量化噪聲有關。理論分析可知10位D/A的SNR可達60.2dB，AD公司資料給出的AD9835實際SNR優于50dB。輸出信號總諧波分量畸變量與兩主號頻率之比m＝fmc/f有關，m值越大，諧波畸變越小；m值較小時，諧波畸變較大。為消除m較小的諧波畸變，輸出端采用LC高階低通濾波器濾除高次諧波。本例中使用的是5階Butterworth低通濾波器，可以將50MHz以上的高次諧波降低至-60dB，完全滿足高精度信號源的要求。 圖3中引腳FSELECT、PSEL0、PSEL1是外加調制信號，可用于對DDS進行直接位控調制，實現數字二值調頻(FSK)和數字四值調相(PSK)。引腳FSYNC、SCLK、SDATA用來對DDS進行程控工作模式設定。數據傳輸方式為同步串行方式。圖3中，AD9835可以設定為SLEEP、RESET工作方式，在SLEEP工作方式下，功耗僅為1.75mW。 2 DDS信號源設計 2.1 信號源框圖 圖4為系統框圖。 開關SW切向上方時，信號源由單片機控制，工作模式、頻率和相位參數由鍵盤設定，采用8位LED數碼管顯示，頻率分辨率為0.1Hz，可以實現點頻、掃頻、PSW、FSK四種工作模式。開關SW切向下端時，則由PC機通過計算機并口進行程控，工作模式與單片機控制時相同。為保證0～10MHz的信號輸出頻帶，濾波器采用無源LC 5階濾波器。AD9835的D/A輸出僅1.2V左右，信號經兩級寬帶高速運放放大近20倍后輸出。要滿足大信號10V幅度輸出時無失真，末級放大器的擺率應滿足S≥ωVm。在10MHz時，經計算，S≥600V/μs。 2.2 控制程序 無論是在PC機上用VB編程，還是在單片機上用匯編語言編程，主程序框圖基本一致，如圖5所示。 在圖5中，"初始化"是指對AD9835寫入控制字，包括設置SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC等位，還要選擇在以后的調制中使用管腳還是串行控制位來控制AD9835。一旦設定后，AD9835將保持設定狀態不變，直到重新進行設置。 由于AD9835控制參數要求以同步串行方式輸入，因此用PC機控制的時候，采用PC機并口輸出的辦法。用并口數據位線分別模擬幀同步FSYNC、同步時鐘SCLK和串行數據SDATA，按參數要求將其串行化后裝配成并行數據從并行口輸出。另外，由于VB本身不具有口讀寫功能，因此需要用其他語言編寫口讀寫功能函數后用動態鏈接庫。DLL的形式調用，以實現口輸出。本程序也可以和虛擬儀器組合使用，構成虛擬儀器界面的數字頻率信號發生器。 2.3 實測結果 本儀器設計完成后已投入使用，各項指標達到設計要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器的頻率純度和穩定度相當高。圖6為合成器輸出頻率2MHz時的實測頻譜圖，圖中縱向每分度為20dB，可見一次倍頻幅度衰減約為-45dB。 圖7為PSK相位跳變時的波形實測圖，相位跳變值為90度，從波形可以看出，相位跳變的瞬時性和準確度非常好。可以精確控制相位是DDS的一個突出優點，也是其它頻率合成手段難以達到的。 圖8為合成器輸出頻率從頻率寄存器F0跳變到F1時的瞬態波形，波形銜接得非常好，中間沒有控制失調的過渡帶出現，這也是DDS的突出特點。 圖9為FSK調制波形。 DDS合成信號源具有高穩定性、高精度、高分辨率、高速建立信號等突出優點，是信號源發展的方向，在電子對抗、通訊與測量等許多方面都有重大的應用價值。用DDS與PLD等芯片組合集成的專用ASIC信號源芯片、微型程控式任意波形信號源專用芯片也即將問世，這將是信號源技術的一大革命。利用砷化鎵及其它高速材料和技術，可以使DDS頻率進一步向高端延伸，從而使其在軟件無線電方面具有重要的意義。 |
