信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器早在二十年代..docx

1 绪论信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器早在二十年月，当电子设备刚开头消灭时，它就消灭了随着通信和雷达技术的进展，四十年月消灭了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器同时还消灭了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器由于早期的信号发生器机械构造比较简单，功率比较大，电路比较简洁 (与数字仪器、示波器等相比)，因此进展速度较慢直到1964 年才消灭了第一台全晶体管的信号发生器自六十年月以来，信号发生器有了快速的进展，消灭了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等种类各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械构造、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展1.1 频率合成技术的进展频率源是现代电子系统的重要组成局部,在通信、雷达、导航、电子对抗等很多领域中被广泛使用，随着电子技术的不断进展，各类电子系统对频率源的要求越来越高，对频率区分率、频谱纯度、体积及功耗等多种指标提出了更高的要求 ,传统的频率源已无法将其满足[1]频率合成是指从一个高稳定的参考频率，经过各种技术处理，生成一系列稳定的频率输出。

频率合成技术从 20 世纪 30 年月末开头建立，迄今为止，已有近 70 年的历史， 频率合成是时频测控技术中的重要技术之一[2]现代的战斗从根本上是敌我双方高科技的比赛，电子战在现代战斗中已是重要的组成局部谁的武器中的电子系统体积越小，集成度越高，精度越好，抗干扰性越好，谁取胜的可能性就越大其中电子系统的核心局部——频率合成器更加成为整个电子战斗的关键所在频率合成技术有直接式频率合成〔第一代〕和锁相式频率合成〔其次代〕等几种而继直接频率合成和间接频率合成之后进展起来的第三代频率合成技术 :直接数字频率合成(DDS),具有输出频率转换时间(可达纳秒量级)短、频率区分率高(可达微赫兹级)、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、体积小、实施调制敏捷、性价比高、生产重复性好等优点,因此它可以满足现代电子系统对频率源各指标要求近年来,随着VLSI、FPGA、CPLD 等技术的消灭以及对 DDS 理论的进一步探讨,使 DDS 技术得到飞速进展,目前已广泛应用于各类电子设备中1.2 频率合成技术的分类根本的频率合成技术有直接式频率合成〔DS〕和间接式频率合成〔锁相式频率合成〔PLL〕 [3]早期的频率合成承受直接的方式，是由一个或多个晶体振荡器经过分频、倍频、混频、滤波得到所需要的频率。

它又包括直接式相关频率合成器和直接式非相关频率合成器直接式相关频率合成器只有一个频率参考源，合成器所需要的频率由这个参考源经过分频、倍频、混频后产生这样的方式产生的各个频率的精度和稳定度与参考频率源全都直接式非相关频率合成器承受多个频率参考源，这样产生多个频率精度和稳定度都一样的频率源是格外困难的，所以直接相关式应用较多锁相式频率合成又称为间接式频率合成PLL 根本由四局部组成：高稳定晶振参考源、鉴相器、低通滤波器和压控振荡器[4]输出频带宽可达上千兆赫，频率区分率到赫兹量级，但是由于非线件引入的杂波成分较多而且很简单，所以需要大量的滤波器加以滤除PLL 构造简洁、易于集成、输出频带宽、频谱纯度好，但锁相环本身是一个闭环的反响系统，所以鉴相频率〔频率区分率〕与频率转换时间的冲突难以解决目前，又消灭了多环技术、自适应环路带宽法、小数分频技术和预调 VCO 法等多种改进技术DDS〔Direct Digital Synthesis〕是 20 世纪 70 年月进展起来的一种的频率合成法，它将先进的数字处理技术和方法引入信号合成领域，是近年来随着数字集成电路和计算机的进展而消灭的一种的频率合成技术。

它是从相位的概念动身进展频率合成，承受数字取样技术，将参考信号的频率、相位、幅度等参数转变为一组取样函数,然后直接运算出所需要的频率信号目前 DDS 技术已经成为频率合成技术的首选方案之一在通信、电子、雷达、制导、仪器仪表等领域应用广泛，各种基于 DDS 技术的集成芯片也层出不穷DDS 的工作原理实质上是以参考频率源〔系统时钟〕对相位进展等可控间隔的采样利用单片机寻址相应的频率掌握字，输入 DDS 芯片内核， 通过转变调用 ROM 表中频率掌握字的地址，来实现不同频率输出的目的同时在 DDS 芯片输出端增加一个低通滤波器，可以到达抑制杂散的效果，最终得到所要求输出的波形该技术把一系列全数字形式的信号DAC 转换成模拟形式的信号的合成技术直接频率合成器主要用于数字信号源，上下变频器以及数字锁相环等电路中它承受了数字采样存储技术，具有相位连续变化、易实现对输出信号的多种调制等优点 DDS 芯片由相位累加器、正弦 ROM 表、D/A 转换器等组成DDS 技术的优点是：相对带宽很宽，频率转换时间极短〔ns 级〕，频率区分率很高〔可达uHz 级〕，全数字化构造便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控[5]。

DDS 以其有别于其他频率合成技术的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的佼佼者1.3 DDS 技术目前 DDS 技术已经成为频率合成技术的首选方案之一，在通信、电子、雷达、制导、仪器仪表等领域应用广泛，各种基于 DDS 技术的集成芯片也层出不穷在这里我们选用 AD 公司生产的芯片 AD9852DDS 技术是基于耐奎斯特采样定理的，他的主要原理是将从波形中采样到的离散值通过 DAC 转换成连续信号[6]DDS 芯片能够与计算机严密结合在一起，充分发挥软件的作用在实际应用中，可以承受单片机来代替计算机对 DDS 芯片进展掌握，实现合成频率的输出DDS 的构造有很多种，其根本的电路原理可用图 1-1 来表示[7]DDS 在一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能到达的水平，为系统供给了优于模拟信号源的性能实现 DDS 的方案很多，主要有承受高性能 DDS 单片电路的解决方案，如 Nalog 公司的 AD98 系列，Ｑualcomm 公司推出了 DDS 系列 Q2220，Q2230，Q2334 等还有自行设计的基于 FPGA 芯片的解决方案图 1-1 DDS 的根本原理1.3.1 DDS 技术的特点一代的直接数字频率合成器承受全数字的方式实现频率合成，与传统的频率合成技术相比，具有以下特点：〔1〕频率转换快。

直接数字频率合成是一个开环系统，无任何反响环节，其频率转换时间主要由频率掌握字状态转变所需的时间及各电路的延时时间所打算，转换时间很短2） 频率区分率高、频点数多DDS 输出频率的区分率和随机位累加器的位数的增长而呈指数增长区分率高达 uHz3） 相位连续DDS 在转变频率时只需转变频率掌握字〔即累加器累加步长〕，而不需转变原有的累加值，故转变频率时相位是连续的4） 相位噪声小DDS 的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声5） 掌握简洁、稳定牢靠2 系统总体设计2.1 方案论证与选择方案一：承受传统的直接频率合成器这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所以方法中最高的工作频率但由于承受大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的构造简单、体积浩大、本钱高，而且简洁产生过多的杂散重量，难以到达较高的频谱纯度最重要的是，这种方法只能实现正弦波，不能实现方波方案二：基于 CPLD 的直接数字频率合成信号发生器的设计先由 CPLD 芯片依据 DDS 需要的输出频率计算出频率掌握字，然后附上 DDS 存放器地址输出到 DDS 芯片方案三：基于DDS 的信号发生器它以参考频率源〔系统时钟〕对相位进展等可控间隔的采样。

利用单片机寻址相应的频率掌握字，输入DDS 芯片内核，通过转变调用 ROM 表中频率掌握字的地址，来实现不同频率输出的目的由于单片机的掌握我们比较生疏，并且结合 DDS 芯片各种性能指标特点，我选择第三种方案来设计2.2 方案设计总思想本设计中所承受的方案设计思想〔如图 2-1 所示〕：在设计的系统中，承受比较通用的 51 系列单片机 AT89C51 作为系统的掌握处理单元利用键盘输入和 LED 显示频率值单片机的P0 口作为与 AD9852 进展通讯的口，P1 口作为键盘的输入，P2 口作为 LED 的段选驱动输出，P3 口其中三条线作为 138 译码器的输入以输出驱动位选， 其它作为与 AD9852 的通信口P0 口作为一个真正的双向口〔数据/地址复用口〕与 DDS 芯片 AD9852 进展通信， 通过 74LS373 对地址进展锁存当单片机的选通信号ALE 端输出高电寻常，单片机输出地址信号并存入 74LS373；当 ALE 端没有选通时，单片机输出的是数据信号不管是输出地址还是数据信号，都要通过 74LVT245B 作为电平转换器件与 AD9852 进展连接键盘的输入通过 P1 口来实现，使用 P1 口之前必需先向其内部锁存器写入“1”，使场效应管截止，这样才能当作输入口来使用。

P2 口在设计中作为输出口与数码管直接相连，作为段选码并行驱动 8 个数码管但是，在设计中我们必需要考虑到数码管能否被译码器全部驱动的问题试验中证明， 直接驱动只能点亮一个数码管中的一段缘由就在于段选端供给了足够大的电流，而位选端却不能全部承受，就像是在用大管子注水而只用小管子接水一样，因此电流就会被钳制在位选局部如此，我们实行这样的措施：在位选端加一个三极管放大电路， 以增大位选端电流的承受力量同时，由于译码器输出的是低电平有效，三极管与其基极直接相连根本不能让三极管正常工作，所以必需在三极管的输出端加一个反向器以使三极管工作由于 P0， P1， P2 口都被占用，但还需要一些端口来进展通信，多功能口P3 口就只能作为 I/O 口来使用P3.0，P3.1 口作为键盘的列线进展实时扫描；P3.2，P3.3， P3.4 口作为 38 译码器的 A，B，C 输入端使用，译码器得输出经过三极管推动后作为数码管的位驱动〔由于 P3 口的数目有限，驱动八个数码管不能直接与位选端相连， 所以承受 138 译码器来实现〕；P3.5，P3.6，P3.7 口留作与 AD9852 的掌握引脚相连由于 AD9852 使用 CMOS 工艺，供电电压是+3.3Ｖ，所以存在 TTL 电路和 CMOS电路的电平转换问题。

我们承受 PHILIPS 公司的 74LVT245B 作为+5V 电源下的规律电平到＋3.3V 规律电平的转换器件通过对 AD9852 内部存放器工作模式等初始化后，单片机将频率掌握字和相位掌握字等数据送入 AD9852 内部存放器，经过AD9852 内部处理后，通过一个低通滤波器输出正弦波信号，将这个正弦波信号再送回AD9852 内部的高速比较器整形后就会得到所需要的方波信号图 2-1 系统框图DDS 是承受数字化技术，最终合成信号是经 D/A 转换后得到的其频谱含有很丰富的高次频谱重量，必需将它们滤除，才能得到频谱纯洁的正弦波输出，因此要求滤波器的衰减特性要陡直，延迟时间要短这里承受七阶椭圆函数低通滤波器如图 2-2 所示：图 2-2 七阶椭圆函数低通滤波器DDS 芯片输出端 IOUT1 接七阶椭圆函数低通滤波器后，就能得到正弦波再通过内部高速比较器的反向输入VINN 和内部高速比较器的正向输入VINP 端将正弦波的信号输入到 DDS 芯片内部的高速比较器后，就可以从 VOUT 端得到所需要的方波信号3 单元电路设计3.1 单片机的掌握局部3.1.1 单片机产品。