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DDS(Direct Digital Synthesizer，直接數字合成技術)近年來得到了飛速發展，其應用領域不斷拓展，在電子電力技術領域得到廣泛的應用。DDS是產生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優先選用技術。該技術從相位概念出發，以奈奎斯特時域采樣定理為基礎在時域中進行頻率合成，其轉換速度快、頻率分辨率高，并且在頻率轉換時可保持相位連續，因而易于實現多種調制功能，是一種全數字化技術；其幅度相位頻率均可實現程控并可通過更換數據靈活實現任意波形。利用FPGA芯片及D／A轉換器，采用直接數字頻率合成技術，設計了一種帶有LAN接口的正弦函數發生器。 1 系統概述 LXI總線是Agilnet公司和VXI科技公司共同合作，于2004年9月41日在美國加州PALAOLTO提出一種新型儀器接口規范，全稱為LAN-based Extensions for Instrumentation(局域網的儀器擴展)。它基于著名的工業標準以太網(Ethernet)技術，擴展了儀器需要的語言、命令、協議等內容，構成了一種適用于自動測試系統的新一代模塊化儀器平臺標準。為了適應國際上儀器接口技術的發展，以具備LXI硬件基礎、帶有LAN接口的可程控儀器的研制作為本課題的出發點。同時該程控智能函數發生器以直接數字頻率合成技術(DDS)為基礎的，此技術是隨著計算機、數字集成電路和微電子技術的發展，在頻率合成技術領域的新的突破。它是將先進的數字信號處理理論和方法引入到信號合成領域，它的出現為進一步提高信號的頻率穩定度提供了新的解決方法。該技術具有以下優點：頻率轉換快、分辨率高、相位噪聲低等。 2 DDS實現方案論證與比較 方案一：采用高性能DDS單片電路的解決方案模擬直接合成法，轉換速度快，頻率分辨力高，但電路復雜，難以集成，發展受到一定限制。 方案二：采用鎖相環合成法，輸出信號頻率可達到超高頻甚至微波段，且輸出信號頻譜純度較高，但轉換要幾毫秒的時間，速度慢。 方案三：采用直接數字合成器(DDS)，可用硬件或軟件實現。即用累加器按頻率要求對相應的相位增量進行累加，再以累加相位值作為地址碼，取存放于ROM中的波形數據，經D／A轉換、濾波即得所需波形。方法簡單，頻率穩定度高，易于程控。 根據上述三種方案綜合考慮，選擇方案三進行設計。下面根據方案三進行硬件和軟件兩方面的設計。 3 系統硬件設計 3.1 頻率合成器 采用直接數字頻率合成技術產生波形的方框圖如圖1所示，輸入頻率經倍頻→計數器→存儲器→D／A轉換器→濾波后產生所需波形輸出。用存儲器存儲所需的波形量化數據，用不同頻率的脈沖驅動地址計數器。該計數器的輸出接到存儲器的地址線上，這樣在存儲器的數據線上就會周期性地出現波形的量化數據，經D／A轉換并濾波后即可生成波形，并且完全能滿足頻率范圍為100～200 Hz、步進間隔≤100 Hz的要求。 3.2 系統硬件整體框圖 整個系統的設計主要包括4個部分：DDS函數發生器、通用接口部分、上位機虛擬儀器控制程序、網絡接口控制部分等。系統組成框圖如圖2所示。 (1)DDS函數發生器部分是儀器的主體部分，不僅具備獨立儀器的功能，而且可以通過儀器接口接收上位機的控制，實現程控的目的。 (2)上位虛擬機控制部分所要完成的功能是通過網絡向儀器終端發送控制命令。當接收到上位機的命令后，儀器進行相應的動作。 (3)網絡接口控制部分主要是完成儀器和Ethernet的接通和數據的接收與發送。當網絡有數據傳送到儀器時，儀器要判斷所送來的數據包是不是發送給自己的數據包：如果是，則接收并放人內存專門開辟的緩沖區中，同時回送接收到數據的信號給上位機；如果不是自己的數據包，則丟棄。 (4)通用接口部分相當于接口轉換卡，即通用接口與網絡接口的轉換。 3.3 正弦信號產生器 正弦信號產生器采用直接頻率合成集成芯片AD9850。其內部包括高速、高性能D／A轉換器件和高速比較器，6倍參考時鐘倍乘器等。利用內時鐘倍乘器，降低了對外部高速參考時鐘振蕩器的要求，可實現全數字編程控制的頻率合成器和時鐘發生器。在外接精密時鐘源時，可產生一個頻譜純凈，頻率、相位均可編程的模擬正弦波。該正弦波可以直接作為頻率源或通過芯片內部的高速比較器轉換成方波作為時鐘源輸出。數據總線D0～D7來完成全部40位控制數據輸入。當復位信號RESET有效時會使輸入數據地址指針指向第一個輸入寄存器，W_CLK上升沿寫入第一組8位數據，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續5個W_CLK上升沿后，完成全部40位控制數據的輸入，此后W_CLK信號的邊沿無效。當FQ_UP上升沿到來時40位數據會從輸入寄存器寫入到頻率和相位控制寄存器，更新DDS的輸出頻率和相位，同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器，等待著下一組新數據的寫入，實際電路連接如圖3所示。 4 系統軟件設計 單片機以總線的方式連接到ACEXIK30，其主程序就是進行FPGA配置、儀器的初始化、啟動DA、啟動LCD顯示、中斷響應、發送與接收(或本地設置)頻率控制字等。主程序流程如圖4所示。 主程序： 5 結語 本文基于LAN接口技術和DDS技術的優點，設計了一臺函數發生器，通過本課題的研究和設計，得出了如下結論：本設計具有易組合、標準化、通用化、系統化的優點，結構簡單、構建靈活。采用直接數字合成技術和單片機技術相結合設計了正弦信號發生器，可產生高精度、高穩定度的正弦信號，適合對波形要求較高的場合使用。需要不同的頻率時只需修改鍵盤輸入就能完成，簡化了程序設計和電路板設計。把該正弦信號作為載波，通過簡單的軟件設計，實現了AM、FM等調制信號的輸出。另外，它可任意設定頻率分辨率，使信號精度很高，甚至可將累加器、ROM、D／A及微處理器集成于一片IC之內。未來通信系統的發展離不開對信號的調制和解調，更離不開正弦載波，基于DDS技術的正弦信號發生器在通信中的應用將越來越廣泛。 |
