1、 毕 业 设 计（论 文）设计(论文) 题目： 基于 DDS 技术的信号源设计 目 录摘 要 .IIIAbstract .IV第一章 绪 论 .11.1课题研究背景 .11.2课题研究意义 .11.3 DDS技术的发展 .2第二章直接频率合成技术的原理分析 .32.1 DDS技术的原理和特点 .32.2 DDS的结构分析 .32.2.1 DDS相位累加器 .32.3 DDS的杂散分析 .32.3.1 相位截断误差分析 .32.3.2 幅度量化误差分析 .32.3.3 D/A输出误差分析 .3第三章 信号源的整体设计分析 .53.1频率合成源的指标要求 .53.2总体方案的分析 .63.2.1
2、DDS芯片选取 .63.2.2 AD9854芯片介绍 .73.3 输出频谱分析 .73.4 高速复杂控制实现 .9第四章 系统硬件设计 .104.1 系统总体设计 .104.2 AD9854模块硬件设计 .104.3 FPGA控制模块硬件设计 .10第五章 系统软件设计 .155.1信号产生模块设计 .155.2 人机交互界面 .15第六章 系统调试与分析 .196.1 硬件调试 .196.2输出功率精度测试 .196.3 杂散测试 .196.4主要技术指标 .23第七章总结与展望 .24参考文献 .25附 录 .27致 谢 .28基于 DDS 技术的信号源设计摘 要频率合成器是现代电子系统的
3、重要组成部分，它作为电子系统的“ 心脏”，在通信、雷达、导 航、广播 电视、遥控遥测等许多领域中得到了广泛的应用。为了适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。基于 DDS 技术的信号源，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，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，因此发展非常迅速。目前我国波形 发生器还没有形成真正的产业，并且我国目前在波形发生器的的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。本设计以直接数字频率合成芯片 AD9854 为核心，实现了高性价比、低相噪和低杂散的 DDS
4、 信号发生器。使用 EP1C6Q240C8N 型 FPGA 作为 AD9854 的控制单元， MSP430F449 型单片机作为与 PC 进行通信，设计了一款输出频率范围为 0.1Hz 至 120MHz;，杂散 30dBc 的信号发生器。 该信号发生器具有双路正交输出，可完成线性调频、相 移 键 控 和频移键控等调制功能，具有常规信号发生器所不具备的输出信号通信制式捷变功能，具有低功耗、高稳定和高性价比的特点，可作为目前数字通信设备、雷达和其他电子设备的检测仪表和系统集成部件。关键词：直接数字频率合成（DDS）；信号发生器； AD9854 Based on the signal source
5、of DDS technology designAbstractFrequency synthesizer modern electronic system is the important component of the electronic system as a “heart“, in communication, radar, navigation, radio and television, remote control telemetry, and many other areas have been widely used. In order to adapt to the m
6、odern electronic technology development and the market requirement, the research production of high performance arbitrary waveform generator very necessary, but also of great significance. Based on the signal source of DDS technology, because it can get very high frequency stability and precision, a
7、nd at the same time can according to need realized all kinds of complex FM, jamming and an am function, it is developing very fast. At present our country waveform generator have not form a real industry, and in our country at present in the type of the waveform generator and performance with the sa
8、me products abroad is a substantial gap, therefore stepping up to this kind of products of research appears imminent.This design by direct digital frequency synthesis chip AD9854 as the core, realized the high performance, low in noise and low stray DDS of signal generator. Use EP1C6Q240C8N type as
9、the control unit AD9854 FPGA, MSP430F449 type single chip microcomputer as and PC for communications, design a kind of output frequency range of 0.1 Hz to 120 MHz; , stray 30 dBc signal generator. The signal generator has double road orthogonal output can be complete linear FM, phase shift keying an
10、d FSK etc modulation function with conventional signal generator has become the output signal communication system function with low power consumption, high stability and high ratio of performance characteristics, and can be used for digital communication equipment, radar and other electronic equipm
11、ent testing instrument and system integration componentsKey words: Direct Digital Synthesis; Signal generator; AD9854第一章 绪 论1.1 课题研究背景在通信技术领域中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输入信号，也就是所谓的信号发生器。信号发生器有很多种，包括正弦波信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号发生器等。作为通信系统中必非常重要组成部分的信号发生器，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。随着通信技术的发展
12、，对信号源的要求越来越高，需要的输出频率高达微波频段甚至更高，频率范围从零Hz到几 GHz；频率分辨率达到 mHz甚至更小，相应频点数更多。同时，对频率合成器功耗、体积、重量等也有更高的要求。而传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大、灵活性与准确度差。而现在要求信号发生器能产生波形的种类多、频率高，而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。所以要实现高性能的信号发生器，必须在技术手段上有新的突破。直接数字频率合成（ Direct Digital Synthesizer， 简 称 ： DDS） 技 术 是 一 种新 的 全 数 字 的 频
13、率 合 成 原 理 ， 它 从 相 位 的 角 度 出 发 直 接 合 成 所 需 波 形 。 这种 技 术 由 美 国 学 者 J.Tiercy,M.Rader 和 B.Gold 于 1971 年 首 次 提 出 ， 但 限 于当 时 的 技 术 和 工 艺 水 平 ， DDS 技 术 仅 仅 在 理 论 上 进 行 了 一 些 探 讨 ， 而 没 有 应用 到 实 际 中 去 。 近 30 年 来 ， 随 着 超 大 规 模 集 成 、 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 、 现场 可 编 程 门 阵 列 等 技 术 的 出 现 以 及 对 DDS 理 论 的 进 一 步 探 讨 ， 使
14、得 DDS 得到 了 飞 速 的 发 展 。 由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS 技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号，广泛应用于电子测量、调频通信、电子对抗等领域。近年来，已有 DDS技术的波形发生器陆续被研制、生产和投入应用。1.2 课题研究意义信号源是一种基本的电子设备，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普遍、最基本也是应用最广泛的的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到信号发生器。综上所
15、述，不论是在生产还是在科研与教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真试验的最佳工具。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对信号发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦信号源、脉冲信号源，还能根据需要产生函数信号源和高频信号源，信号源常有三方面的用途：(1)激励源，作为某些电器设备的激励信号。(2)信号仿真，当要研究一个电气设备在某种实际环境下所受的影响时，需要施加具有与实际环境相同特性的信号，加高频干扰信号，这是旧需要对干扰信号进行仿真。 （3）校准源，用于对一般信号源进行校准或对比，有时称为标准源。 而传统信号发生器采用专用芯片，成本高，控制方式不灵活，已经越来越不能满足现代
16、电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场要求，研究制作高性能的任意波形发生器十分有必要，而且意义重大。基于 DDS技术的信号源，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，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，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。目前我国已经开始研制信号发生器，并获得了可喜的成果，但总的来说，我国波形发生器还没有形成真正的产业，并且我国目前在波形发生器的的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.3 DDS 技术的发展频率合成器是现代电子系
17、统的重要组成部分，它作为电子系统的“心脏”，在通信、雷达、导航、广播电视、遥控遥测等许多领域中得到了广泛的应用。随羞电子技术的不断发展，各类电子系统对频率合成器的要求越来越高，对相位噪声、频率转换时间、频率分辨率、相对工作带宽、功耗等多种指标同时提出了很高的要求，推动了频率合成技术的发展。早期的频率合成采取的是直接模拟频率合成方式，由一个或多个参考频率源经分频、倍频、混频、滤波得到所需频率。DDS是直接数字频率合成的简称。直接数字合成芯片技术是近 10年来随着微电子技术发展而发展起来的。DDS 问世之初，构成 DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了 DDS的发展与实际应
18、用。近几年超高速数字电路的发展以及对 DDS的深入研究，DDS 的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。DDS 技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。第二章 直接频率合成技术的原理分析2.1 DDS 技术的原理和特点DDS的基本工作原理是：相位累加器以所设定的频率控制字为步长在参考时钟频率下进行累加，并同时输出正弦查找表的地址，从而得到正弦信号数字表示量的输出，再通过数模转换得到模拟的正弦信号，最后经过低通滤波器得到正弦波形。原理图1.1即为如上表述的DDS基本原理框图。图 1.1 DDS 基本原理框图由于DDS采用了全数字结构，所以DDS技术具有区别于其它频率合成技
19、术的许多特点：(1)频率转换时间短DDS 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得 DDS 的频率转换时间极短。事实上，在 DDS 的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS 频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其他的频率合成方法都要短数个数量级。(2)频率分辨率极高若时钟正的频率不变，DDS 的频率分辨率就由相位累加器的位数 决定。只要增加相位累加器的位数即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数 DDS 的分辨率在 1Hz 数量级，许多小于
20、lmHz 甚至更小。(3)相位变化连续改变 DDS 输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。(4)输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为 50正(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。(5)输出波形的灵活性只要在 DDS 内部加上相应控制如调频控制 FM、调相控制 PM 和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生 FSK、PSK、ASK和 MSK 等信号。另外，只要在 DDS 的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现
21、各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当 DDS 的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，即可得到正交的两路输出。2.2 DDS 的结构分析DDS的基本结构包括相位累加器，正弦查询表ROM，数模转换器DAC等。2.2.1 DDS 相位累加器相位累加器是 DDS最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结果。相位累加器的基本结构如图 1.2所示。图 1.2 相位累加器基本结构它由一个N比特的加法器和一个N比特寄存器构成，寄存器通常采用N个D触发器来构成。通过把上一个时钟的累加结果反馈回加法器的输入端而实现累加功能。从而使输出结果每一个时钟周期递增FCW。这里N为相位累加器
22、的字长，FCW称为频率控制字。在此基础上，有人提出了改进的相位累加器结构如图1.3所示，该结构降低了输出频谱对相位累加器初始状态值的依赖程度，可降低杂散幅度约4dB。图1.3 改进的相位累加器结构2.3 DDS的杂散分析2.3.1 相位截断误差为了提高频率分辨率 , AD9854采用了 48 - Bit频率控制寄存器 , 因此其相位累加器的宽度L = 48 ;另一方面 ,受 ROM存储容量的限制 ,AD9854不可能嵌入 2L个幅度表 , 而是采取了一个折中的方法将ROM表的深度定为 2W(W= 17) 。这样 , 在查表过程中 , 通常仅取相位累加器的高 17位作为索引 , 从而产生了相位截
23、断误差。 但是 DDS的输出通常都是正弦信号 ,因此 ,它的相位截断具有明显的周期性。尤其是当系统时钟频率是输出正弦波频率的整数倍时 , 这种周期性就更加明显。这相当于周期性的引入了一个截断误差 , 最终的影响就是输出信号带有一定的谐波分量。2.3.2 幅度量化误差受波形ROM和DA转换器字长的限制，存放在波形ROM中的正弦波形幅度码字长也是有限的，从而产生了幅度量化误差或有限字长效应。幅度量化误差在DDS输出谱上表现为背景噪声，其幅度远小于由于相位截断和DAC非线性引起的杂散信号幅度。2.3.3 D/A输出误差分析通常 D/A 输出信号并不是理想的模拟信号 ,而是理想信号的一个矩形近似 ,
