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1、河南城建学院本科毕业设计（论文） 概述11 概述1.1 选题意义任意波形发生器是信号源的一种，它具有信号源所有的特点。我们传统都认为信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数而是根据使用者的要求仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。信号源有很多种，包括正弦波信号源，函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。一般来讲任意波形发生器，是一种特殊的信号源，综合具有其它信号源波形生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。1).函数功能，仿真基础实验室设计人员的环境函数信号源是
2、使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫描能力，众所周知，在我们的基础实验中( 如大学电子实验室、科研机构研究实验室、工厂开发实验室等)，我们设计了一种电路，需要验证其可靠性与稳定性，就需要给它施加理想中的波形以辨别真伪。总之利用任意波形发生器这方面的基础功能，能仿真基础实验室所必须的信号。2).任意波形，仿真模拟更复杂的信号要求众所周知，在我们实际的电子环境所设计的电路在运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等(见图 1-1，图 1-2)，这些情况的发生，如在设计之初没有考
3、虑进去，有的将会产生灾难性后果。例如图 1 中的 a 处过尖峰脉冲，如果给一个抗冲能力差的电路，将可能会导致整个设备“烧坏” 。确认电路对这样一个状况敏感的程度，我们可以避免不必要的损失，该方面的要求在航天、军事、铁路和一些情况比较复杂的重要领域尤其重要。由于任意波形发生器特殊的功能，为了增强任意波形生成能力，它可以依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，可以通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，更进一步仿真模拟实验。同时由于编辑一个任意波形有时需要花费大量的时间和精力，并且每次编辑波形可能有所差异这样有的任意波形发生器，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利
4、于参考对比;或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。河南城建学院本科毕业设计（论文） 概述2V ( v )t ( s )0图 1-1 有尖脉冲的数字信号V ( v )t ( s )0图 1-2 有频率突变的方波综上所述，任意波形发生器是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。传统的任意波形发生采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活。本设计采用单片机和 FPGA 器件相结合的方法，充分利用单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力和 FPGA 器件的快速性、外设的替代性，采用 DDS 技术，实现频率、幅值可调的任意波形的输出，同时可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的
5、实用性。1.2 仪器功能本设计完成的任意波形发生器具有以下几个功能： 实现方波、矩形波、梯形波、锯齿波、三角波、正弦波、指数波等任意河南城建学院本科毕业设计（论文） 概述3波形的输出。 输出波形频率、幅值、相位连续可调，输出波形频率最低可以达到0.0lHz，最大频率 受器件性能限制。最小分辨率可以达到 0.002Hz。1.3 设计原理本设计采用 DDS 技术，该技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。基于 DDS 的 AWG是通过改变相位增量值(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。所有相位点的数据都放在查找表中。采用插值描点的方式，将要产
6、生的波形用若干个点代替，然后依次输出，每个点的电平由查找表中的相位点数据经过 D/A 得到。这个过程相当于采样保持及 A/D 转换的逆过程，将经过 D/A 转换器产生的波形经过低通滤波，就得到了所得波形。控制 D/A 转换器的参考电压，就可以实现幅值可调;控制两个插值点之间的相位，就实现了频率可调。本设计的控制器利用单片机完成，DDS 合成芯片利用 FPGA 实现。单片机通过键盘进行人机交互，获得欲输出信号的波形，幅值，频率。FPGA 芯片控制基准电源产生合适电压，作为 D/A 转换器的参考电压，然后从查找表中获得数据，送到 D/A 转换器，送出一个点的数值。依次处理完查找表一个周期数据后，再
7、重新开始，输出下一个周期的波形。经过 D/A 转换的信号再经过低通滤波，滤掉插值频率和高次干扰波，就可以得到需要的任意波形。根据设计要求、实际需要及实验室条件，相应地选择了以下器件及设计工具。在进行系统硬件电路设计时，选用 Intel 公司的 80C196KC 单片机作为控制主芯片、Altera 公司的 EPF10K10 作为 DDS 合成 FPGA 芯片，选择 Protel99sE设计系统电路的原理图及 PCB 图、Pspice 软件进行硬件仿真。在进行了 FPGA芯片设计时，选用了 Altera 公司的 MAX+PlusII10.0 工具作为芯片设计平台，选择 Verilog-HDL 硬件
8、描述语言进行设计。在进行系统软件设计时，选用 WAVE公司的 E6000 仿真器配 POD-80C196KX 仿真器进行硬件仿真，选择该公司的配套软件 Wave6000 和 C 语言进行单片机软件设计。河南城建学院本科毕业设计（论文） DDS(直接数字合成) 技术介绍42 DDS(直接数字合成) 技术介绍2.1 频率合成技术频率合成是指以一个或多个参考频率源为基准，在某一频段内，综合产生并输出多个工作频率点的过程。基于此原理制成的频率源为频率合成器，简称频综。频率合成技术是现代通讯电子系统实现高性能指标的关键技术之一，很多电子设备的功能实现都依赖于所用频率合成器的性能，因此人们常将频率合成器喻
9、为众多电子系统的“心脏” ，而频率合成理论也因此在二十世纪得到了飞跃的发展。2.1.1 频率合成技术的发展及分类频率合成技术起源于上世纪三十年代，早期的频率合成器由一组晶体组成的晶体振荡器，要输出多少个频率点，就需要多少个晶体实现。频率的切换由人工完成，频率的准确度和稳定度主要由晶体来决定，与电路基本上无关。随后又出现了非相干合成法，虽然非相干合成法也使用晶体，但是它利用少数晶体产生多种频率，与早期的合成法相比，降低了成本，提高了合成频率的稳定性。随着技术的发展，科学家又提出了相干合成法，相干合成法只使用一个频率源，进一步降低了成本，提高合成频率的稳定性，同时避免了非相干合成法复杂、成本高、不
10、经济等诸多缺点。最早的相干合成法是直接频率合成(DirectFrequencysynthesis)。直接频率合成是利用混频、倍频、分频、的方法由参考频率经加、减、乘、除运算直接组合出所要求的频率的频率合成方法。不过，直接合成也可以用多个基准源通过上述方式得到所需的频率。这种方法由于频率捷变速度快，相噪低使之在频率合成领域占有重要地位，但因直接式频率合成器杂散多，体积大，研究复杂，成本及功耗也令人不可接受，故该方案已基本被淘汰。在直接频率合成之后出现了间接频率合成(Indirect Frequency synthesis)。间接频率合成包括模拟间接频率合成。这种方法主要是将相位反馈理论和锁相技术
11、运用于频率合成领域，它的主要代表是锁相环 PLL(Phase-Locked Loop)频率合成，被称为第二代频率合成技术。现在最常用的结构是数模混合的锁相环，即数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式，因具有相噪低，杂散抑制好，输出频率高，价格便宜等优点至今仍在频率合成领域占有重要地位。目前有许多性能优良的单片 PLL 频率合成器面市，典型的有 Motorola公司的 MC145191、Qualcomn 公司的 Q3236、NationalSe;nieonduetor 的河南城建学院本科毕业设计（论文） DDS(直接数字合成) 技术介绍5LMX2325、LMX2326、LMX23
12、30。这极大地推动了 PLL，频率合成方式的应用。随着数字信号处理理论和超大规模集成电路 VLSI 的发展，在频率合成领域诞生了一种革命性的技术，那就是七十年代出现的直接数字合成 DDS，它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。1971 年 3 月，J.Tiemey 和 CM.Tader等人首先提出了 DDS 的概念:利用数字方式累加相位，再以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列，最后经 D/A 变换得到模拟正弦波输出。DDS 由于具有极高的频率分辨率，极快的变频速度，变频相位连续，相噪较低，易于功能扩展和全数字化便于集成等优点，因此在短短的二十多年里得到了飞速的发展和
13、广泛的应用。2.1.2 频率合成技术的技术指标频率合成技术有着诸多技术指标，这些技术指标决定了频率合成技术的特性及优缺点，下面介绍一些基本的频率合成技术的技术指标。频率范围:频率合成后生成频率的波动范围，由最小合成频率 f min 和最大合成频率 f max 决定，合成的频率介于两者之间。也常用相对带宽来衡量频率范围。（式 2-1）%102/min)ax(ff分辨率：频率合成后两相邻相位点之间的间隔，不同要求的频率合成对分辨率的要求差别很大。切换时间：从发出频率切换的指令开始，到频率切换完成，并进入允许的相位误差范围所需要的时间。它与频率合成的方式密切相关。谐波抑制与杂散抑制：谐波抑制是指载波
14、整数倍频率处单根谱线的功率与载波功率之比，而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比，它们表征了频率输出谱的纯度。频率源中的谐波和杂散主要由频率源中的非线性元件产生，也有频率源内外干扰的影响，还与频率合成的方式有关。长期频率稳定度：频率源在规定的外界条件下，在一定的时间(年、月、日)内工作频率的相对变化，它与所选用的参考源的长期频率稳定度相同。短期频率稳定度：主要指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏，即相位噪声。2.2 DDS(直接数字合成 )技术理论河南城建学院本科毕业设计（论文） DDS(直接数字合成) 技术介绍6DDS(Direct Digital Synthesis
15、)直接数字合成技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有相位连续、频率分辨率高、频率转换速率快、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。它采用插值取样的方式，将要合成的正弦波形用若干个点代替，然后依次等时间间隔输出，每个取样点的电平由预先存贮好的数据经过 D/A 得到。这个过程相当于采样保持及 A/D 转换的逆过程。控制两个取样点之间的时间间隔及相位，就实现了频率连续可调。2.2.1 DDS 设计原理和结构F CC L O C KO U T P U TD A CL U TP Rf c图 2-1 DDS 技术的基本结构图上图为 DDS 技术的基本结构图，频率控制字 FC(Frequence Control)控制合成波形频率。时钟源以频率 fc 发出脉冲。当一个脉冲到来时， N 位相位寄存器PR(Phase Register)以步长 FC 增加，其结果作为查找表 LUT(Look up Table)的寻址地址。LUT 内存有一个完整周期波形的数字幅值信息。每个 LUT 存储单元对应一个周期内的某一个相位点。查找表把输入的地址信息映射成合成波形的幅值信号，输入到数模转换器 DAC。经过 DAC，就可以得到要合成的波形。实际上，FC 是每个时钟期间波形的相位增量，控制 FC，就可以控制输出波形的频率。PR 每经过 /M 个时钟周期后回到初始状态，对应的
