基于dds技术的高精度数控信号源设计.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：摘要:一种采用DDS技术的新型高精度数控信号源可输出正弦波、方波和三角波.系统中输出波形的频率采用数控方式可实现对频率的逐赫兹调节频率精度优于0.1Hz最高输出频率可达30MHz左右.与传统信号源相比本设计具有输出波形质量好、频率精度和稳定性高、频率范围宽等优点.设计方案简洁易于实现.关键词：DDS信号源单片机第一章绪论1.1课题研究的意义与作用1971年美国学者j.Tierney等人撰写的"ADigitalFrequencySynthesizer"-文首次提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平它的性能指标尚不能与已有的技术相比故未受到重视。近10年间随着微电子技术的迅速发展直接数字频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面并具有极高的性价比。1.2DDS的研究现状及发展趋势在频率合成（FSFrequencySynthesis）领域中常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-NPLLSynthesis）等直接数字合成(DirectDigitalSynthesis－DDS)是近年来新的频率合成技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源通过精密的相位累加器和数字信号处理通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形）这个数字波经过一个模拟滤波器后得到最终的模拟信号波形。如图1-1所示通过高速DAC产生数字正弦数字波形通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达μHz级相位控制小于0.09°）能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。其实以前DDS价格昂贵、功耗大（以前的功耗达Watt级）、DAC器件转换速率不高应用受到限制因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件其功耗降低到mW级（AD9851在3.3v时功耗为650mW）功能增加了价格便宜。因此DDS也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN系统、雷达、卫星通信。1.3DDS的系统简介1.3.1DDS的基本原理DDS的基本原理是利用采样定理通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种其基本的电路原理可用图1-2来表示。相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fｓ加法器将频率控制字ｋ与累加寄存器输出的累加相位数据相加把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样相位累加器在时钟作用下不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出相位累加器在每一个时钟脉冲输入时把频率控制字累加一次相位累加器输出的数据就是合成信号的相位相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D／A转换器D／A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量以便输出频谱纯净的正弦波信号。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平为系统提供了优于模拟信号源的性能。1.3.2DDS的性能特点（1）输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为50%ｆs（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制实际的输出频率带宽仍能达到40%ｆs。（2）频率转换时间短DD