文档介绍：基于DDS技术的任意波形发生器的设计
设计思路
信号发生器广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备,也是应用最广泛的电子仪器之一,几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。
本设计研究的信号发生器的基本思路是:基于DDS芯片AD9850基础的任意波形发生器。系统是基于AD9850芯片产生的波形。它是由相位累加器、正弦查询表、D/A转换器组成的集成芯片。其中相位累加器的位数N=32位,寻址RAM用14位,舍去18位,采用高速10位数模转换,DDS的时钟频率为125MHz,;系统的微处理器采用8051,外围电路主要是接口电路、调幅电路、滤波电路和积分电路的设计。同时还包括键盘接口。系统的软件主要是启动和初始化8051,然后处理键盘输入的频率控制字和相位控制字,并将其转换为32位的二进制数的控制字,最后并行递交给AD9850并启动AD9850,让它实现从正弦查询表中取数产生波形再输出。
DDS的基本原理
1971年,美国学者J. Tierncy, C. M. Rader和B. Gold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20年间,随着技术和器件水平的提高,一种新的频率合成技术——直接数字合成频率合成(DDS)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佼佼者。
DDS基本原理图如图1所示,DDS由相位累加器,只读存储器,数模转换器DAC及低通滤波器组成。
以合成正弦波为例,幅值表ROM中存有正弦波的幅值码,相位累加器在时钟fc的触发下,对频率控制字K进行累加,相位累加器输出的相位序列(即相码)作为地址去寻址ROM,得到一系列离散的幅度编码(即幅码)。该幅码经过DAC变换后得到模拟的阶梯电压,再经过低通滤波器平滑后,即得到所需的正弦信号。一般将相位累加器和ROM合称为NCO(数控振荡器)
Clock
b
a
相位累加器
波形存储器
D/A
LPF
频率控制字
图1 DDS的基本原理图
相位累加器的结构如图2所示,由N位字长的二进制加法器与一个由时钟取样所得的N位二进制相位累加寄存器级联构成,加法器的一个出入端与相位寄存器的输出端相连,另一个输入端相连,另一个输入端是外部的频率控制字K。每来一个时钟脉冲,加法器将频率控制数据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的作用下继续与频率控制数据相加。这样,相位累加器在参考时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器累加满是就会产生一次溢出,完成一个周期性的动作,这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期,累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。
图2 相位累加器的结构
设相位累加器的位数为N,时钟频率为fc, 当频率控制字为K时,DDS的输出频率fo为:
fo=K×fc/2N
DDS的特点
其主要优点有:(1)频率转换快:DDS频率转换时间短,一般在纳秒级;(2)分辨率高:大多数DDS可提供的频率分辨率在1 Hz数量级, Hz;(3)频率合成范围宽;(4)相位噪声低,信号纯度高;(5)可控制相位:DDS可方便地控制输出信号的相位,在频率变换时也能保持相位联系;(6)生成的正弦/余弦信号正交特性好等。因此,利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。
系统的总体设计
本设计的技术指标
本设计要求的波形发生器可产生正弦波、方波、三角波以及便于产生频率可变而且具有高分辨率的波形。它要求频率范围在0MHz~40MHz,要求幅值范围在-10V~+10V。
系统方案
本设计采用的是直接数字法设计波形发生器中的基于相位累加器的数字频率合成法。这种结构主要由相位累加器、数据存储器、D/A转换器、低通滤波器组成,它是一种全新的直接数字合成方式。
图3 基于相位累加器的直接数字合成结构图
在此设计中的基于DDS技术的信号发生器,是通过用单片机编程将控制字并行送入DDS芯片AD9850,然后由AD9850产生波形输出,即采用基于相位累加器的数字频率合成法,利用直接数字合成芯片AD9850产生波形。在该芯片中集成了相位累加器、正弦查询表、D/A转换器以及高速的比较器。我们再加入单片机