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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（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）,相對應的相位變化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睛。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/2 32 (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/2 32 （4） 式中,fmc=50MHz,用高穩定度晶體振蕩器獲得。K值在11.2 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,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、PSK、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定入控制字,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。 |
