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  • 基于DDS工作原理的AD9851频率合成技术的详细设计方案

    系统采用AD9851,基于DDS工作原理,以单片机为控制核心,设计了频率可调的高精度正弦波和方波信号发生器。输出级通过椭圆A滤波器去除高频噪声,稳定信号,采用B类无推功放电路,提高系统负载能力。阐述了芯片与外部电路接口的硬件结构,并进行了详细的系统测试。在50Ω负载下,该设计可在0~20V范围内连续调节输出峰峰值,整个系统电路简单、功能强大、可扩展。

    本文引用地址:

    信号发生器是测量应用中的基本仪器。随着现代测试对象的逐渐多样化和数字技术的进步,信号发生器的应用范围更广,发展速度更快。其中,正弦信号发生器可以满足测试系统的各种要求,是电子技术领域中最基本的电子仪器。广泛应用于电子测控、电子通信系统、航空测试等各种科研领域。

    直接数字合成(DDS)基于固定的精密时钟源,使用数字处理模块产生频率和相位可调的输出信号。作为一种新兴的频率合成技术,它具有频率分辨率高、频率切换快、相位连续切换、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化、易于集成、体积小、重量轻等优点。随着超大规模集成电路和微电子技术的发展,小尺寸、高性能的现代产品正在迅速取代传统的模拟信号频率合成技术,作为解决此类问题的新方法。

    1 DDS 的工作原理

    DDS 由相位累加器、正弦查找表、DAC 和低通滤波器组成。参考时钟是一个稳定的晶体振荡器,相位累加器类似于一个计数器。在每个时钟脉冲输入。它输出一个相位增量,即将频率控制字FSW的数据转换成相位样本来确定输出频率。相位增量随 FSW 命令而变化。当用于数据寻址时,正弦查找表将存储的样本值转换为正弦波幅度的数字量。DAC将数值量转换为模拟量,经过低通滤波平滑滤除带外杂散,得到所需波形。

    2 程序对比

    方案一是通过数字锁相环频率合成技术实现的。典型的直接型锁相环频率合成器由三部分组成:参考振荡器源、参考分频器和锁相环。PLL 在 VCO 输出和鉴别器输入之间的反馈环路中添加了一个可变分频器。通过改变分频比N,可以达到输出不同频率f0的目的,从而实现fR对f0的合成。在本电路中,输出频点间隔Δf=fR。这种锁相倍频电路必须通过减小输入频率fi来减小频率间隔,从而导致频率转换时间增加。虽然输出频率有很大的变化范围,输出间隔和变频时间同时减少是矛盾的。而输出频率的变化会使N随之变化,因此环路增益也会发生很大的变化,导致环路的动态特性急剧变化。

    选项 2 FPGA 实现。在 FPGA 内部构建正弦信号的数据表。然后,在外部时钟的驱动下,读取正弦信号数据表中的数据,然后送入高速DAC进行数模转换,得到正弦信号。 FPCA产生的正弦信号的频率和幅度都非常稳定数字信号发生器与函数发生器的比较,但是由于FPGA的工作频率通常不会太高,所以输出频率范围不够宽。

    方案3通过专用芯片实现直接数字频率合成。在参考时钟的控制下,从累加器中获取频率控制字,得到相应的相位数据,并以此数据作为采样地址寻址正弦ROM表进行相位幅度转换,输出波形幅度可以在给定时间确定。价值。模拟形式的目标合成频率信号由数字形式的波形幅度经过DAC转换,结合低通滤波器滤除不必要的采样分量,最后由频率控制字确定连续变化的输出正弦波。该方案具有光谱纯度高、集成度高的特点。由于AD9851自带32位相位累加数控振荡器,可以产生低相位噪声和高稳定频率输出波形。不仅输出频率范围宽,而且频率分辨率高。

    3 参数计算

    3.1 DDS参数计算

    前提是选择30MHz高稳定有源晶振,既保证了输出频率的稳定,减少了高频辐射,又提高了系统的电磁兼容性。

    AD9851的相位累加器为32位。当参考时钟fs不变时,改变AD9851的频率控制FSW即可得到所需的输出频率f0。他们之间的关系是

    3.2 调制度ma的计算

    kn为比例系数,即单位调制信号引起的幅度变化;U0 是调制信号的直流分量;Ucm、ωcm分别代表载波的幅值和角频率;UΩ、ω分别表示调制波的幅值和角频率

    其中,Up为AM包络的峰值;Uv 是 AM 包络的谷值。设计中Up为2 047,通过改变调制波UΩ(UΩpp/2))的幅值,达到以10%为步长在10%~100%之间调整ma的目的。

    3.3 计算最大频偏△f

    模拟频率调制波 (FM) 的表达式为

    其中数字信号发生器与函数发生器的比较,K为调频信号的频率控制字;Kcm 为载波信号的频率控制字;Δf是最大频偏,λ=fc/2是一个与系统时钟频率fc和累加器数量N有关的常数。这样就可以从调制的频率中推导出信号的频率控制字信号。

    4 硬件电路设计与实现

    4.1 直接数字频率合成模块

    系统通过单片机控制AD9581频率控制字实现频率合成。调制后的正弦波信号可以通过A/D采样的并行输入改变DDS芯片的频率控制字来实现调频,基本上不需要外接电路,并且可以通过软件设置较大的频偏。

    4.2 低通滤波电路模块

    考虑到AD9581的输入信号有高次谐波成分,系统在AD9581的输出端增加了一个40MB的椭圆低通滤波电路。在相同阶数的条件下,椭圆低通滤波器比其他滤波器的带通和阻带波动更小。设计电路如图1所示。

    4.3 幅度、AM、FM 和 PM 控制模块

    滤波后的 DDS 信号作为 AD539 的 Vy1 输入。单片机给DAC0832控制字,可以产生直流电位,可以作为AD539Vx1的输入,AD539可以放大DDS信号的数控幅度。

    高频信号发生电路_数字信号发生器与函数发生器的比较_信号发生校验仪

    滤波后的 DDS 信号作为载波输入到 AD539 的 Vy1。单片机给DAC0832一个控制字,可以产生固定电位+正弦波,可以作为AD539Vx1的输入,AD539可以输出AM波。频率控制字可以通过公式计算出来,通过单片机将频率控制字写入AD9851就可以产生调频波。

    4.4 功放模块

    功放部分采用TI的THS3001双运放±15V供电,420MHz带宽(C=1,39dB),满足本系统在1Hz到15MHz的带宽要求,输出电流可达100 mA,然后用B类功放放大,中频区峰峰值输出为24V或使用AD812电流反馈宽带运放。

    4.5 峰值检测和自动增益控制模块

    用检波二极管对输出信号进行检测,得到与信号峰值成正比的直流信号,再由运算放大器调整比例系数。TLC2543将从峰值到峰值得到的直流电平转换成数字信号输入到MCU,MCU再控制DAC0832的直流电位,最终达到峰值的稳定。

    电源采用THB-20环形变压器,经过变压、整流、滤波、稳压,可提供±15V和+5V的稳定输出。

    4.6 人机界面模块

    人机界面包括键盘和显示模块。系统需要16个按键,ZLG7290B可以直接驱动8位共阴极数码管,最多可以同时扫描和管理64个按键。

    显示部分采用LCD240128A热致液晶图形点阵显示模块。它由液晶面板、液晶显示控制器、液晶驱动器、背光板等组成。LCD240128A 模块包含一个 8 字节字符发生器 CGROM,可连接到外部 8 kB RAM 作为外部显示缓冲器和字符发生器 CGROM 的 LCD 驱动控制器。在智能电子仪器中常用作显示器,以显示各种图文信息。

    5 系统测试

    5.1 测试方法

    本文以正弦信号的产生为例,给出了详细的测试数据并进行了分析。

    模块测试:分别对系统的各个模块进行测试,连接后进行整机调试。

    整体系统测试:对整个系统进行硬件和软件测试。根据设计要求,分别测试输出波形、输出电压峰峰值、输出频率和功放输出。

    测试输出电压峰峰值时,适当调整放大电路和AGC电路的参数,使输出频率在10Hz~15MHz之间变化时,输出频率满足Vpp≥5V。

    5.2 测试数据

    正弦波频率范围测试接50Ω负载,测试输出电压。测试数据如表1所示。

    负载为50Ω,频率计用于对输出的正弦波进行计数。测试数据如表2所示。

    5.3 测试结果

    正弦波输出频率为 1 Hz 至 37 MHz。低频部分低于 1 kHz,高频部分高于 10 MHz。通过 DDS 比较器可以获得 1 Hz 至 9 MHz 的方波。

    有Hz、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz,输出信号频率稳定性为10-5,优于10-4。电压 50Ω 负载上的峰峰值电压 Vpp≥4 V 在 1 Hz 到 4 MHz 范围内 Vpp≥5 V 在 4 Hz 到 15 MHz 范围内 Vpp≥1 V 在 15 到 27 MHz 范围内,在27~37MHz范围内Vpp≥0.36V。用示波器观察,1Hz~27MHz范围内无明显失真,边缘有轻微抖动信号范围为 27 至 37 MHz。

    实现了数字控制幅度,幅度设置精确到小数点后一位,采用自动增益控制电路,获得稳定的0-6V幅度输出。

    存在人为误差、系统误差、测量误差和外部干扰误差,可通过修改电路、使用性能更高的芯片、提高仪器精度、减少外部干扰等方式加以改善。

    六,结论

    采用DDS技术的信号是一个没有任何反馈环节的开环系统,产生的波精度高、误差小。由于DDS的数字处理延迟是主要的变频时间,通常只有ns数量级。当参考时钟频率和相位累加器的位宽满足一定要求时,输出分辨率可以很小。本设计有效解决了数字锁相环频率合成技术分辨率高与转换速度快的矛盾,避免了传统方法转换时间长的问题。DDS在改变频率时只需要改变频率控制字,不改变原来的累加值,所以改变频率时相位是连续的。然而,

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