DDS 工程硕士开题报告1.doc

电 子 科 技 大 学 工程硕士学位论文开题报告学位论文题目：基于DDS技术高稳定高精度 信号源的研究设计与实现 工程领域名称： 学 号： 姓 名： 校内导师姓名: 企业方导师姓名： 硕士生所在单位名称： 填表日期： 2010 年日题目：基于DDS技术高精度信号源的研究设计与实现一、 课题背景与意义（1）选题来源、选题依据、国内外研究动态； 本课题来源于实验室研究项目高精度高稳定性信号源的研究，目的是设计出能够提供高精度和高稳定信号的函数信号发生器。本项目的技术核心是基于DDS和嵌入式系统技术的软硬件系统的研发。在电子信息科学领域，常常需要波形、频率、幅度都可调节的电信号，用于产生这种电信号的电子仪器称作信号发生器。作为一种为电子测量和计量提供电信号的设备，它和万用表、示波器、频率计等仪器一样，是最普通、最基本，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都需要用到信号发生器。由于函数信号发生器是电子信息科学领域和实验室的常用设备之一，在教学、科研、生产、生物工程、遥控遥测等等众多领域都有着广泛的应用。随着电子技术的发展，人们对信号源的频率分辨率、频率范围、频谱纯度等提出越来越高的要求。而传统的频率合成方法设计的信号源在功能、精度等方面存在频率精度低、分辨率不高、频带窄、输出波形有限等缺陷和不足，不能满足实际要求。而高精度的信号源是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通信、雷达、测量、控制、教学等领域应用十分广泛。自从上世纪40年代惠普为美国海军实验室开发出第一台信号发生器开始，信号发生器一直随着电子技术、半导体技术和计算机技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。从技术上看，信号发生器经历了由模拟信号发生器、数字信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程。发展到今天，信号发生器的种类已经多种多样，包括正弦信号发生器、脉冲发生器、函数发生器、扫描发生器、任意波形发生器等。按照应用范围又可分为专用信号发生器和通用信号发生器。传统的信号发生器一般基于模拟技术。它首先产生一定频率的正弦信号，然后再对这个正弦信号进行处理，从而输出其他波形信号(例如通过比较器可以输出方波信号，对方波信号通过积分器可以生成三角波信号等)。这种技术的关键在于如何产生特定频率的正弦信号。早期的信号发生器大都采用谐振法，后来出现采用锁相频率合成技术的信号发生器。但基于模拟技术的传统信号发生器能够产生的信号类型非常有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少数的规则波形。随着电子技术，尤其是军事电子技术革新带来的新体制武器装备的发展与应用，电子信号频率上限、信号带宽和调制带宽不断拓展，调制种类不断增加，波形任意化程度加剧，频率分辨力和捷变速度大幅提高。这一信号日益复杂化的趋势，对作为电子测试领域两大根本信号产生与获取技术，提出了新的挑战。以高速数字采样为核心的时域测试正在成为现代电子测试技术的主流方向，波形产生与获取技术也不例外。但是，由于受原理、器件等因素限制，基于采样的波形产生与获取技术面临着如何不断提高采样率和采样精度，如何尽可能提高波形质量(无失真地产生和获取信号)，现在世界各国对波形产生与获取技术着眼于高速任意波形发生器、宽带高精度数字化仪、宽带数字存储示波器等高性能测试仪器的技术实现，这些都是基于直接数字频率合成(DDS)技术来实现高采样率和采样精度，尽可能提高波形质量(无失真地产生和获取信号)产生所需要波形。采用可变时钟和计数器寻址波形存储器的任意波形发生器在一段时期内曾得到广泛的应用，其取样时钟频率较高且可调节，然而这种波形发生器对硬件要求比较高，需要高性能的锁相环和截止频率可调的低通滤波器，且频率分辨率低，频率切换速度较慢，已经逐步退出市场。目前市场上的任意波形发生器主要采用直接数字合成(Direct Digital Synthesuzer，DDS)技术，这种函数信号发生器不仅可以产生可变频的载频信号、各种调制信号，同时还能和计算机配合产生用户自定义的有限带宽的任意信号，可以为多领域的测试提供宽带宽、高分辨率的测试信号。函数信号发生器发展到今天，从产品结构形式来划分，主要包含三种： (1)独立仪器结构形式独立仪器结构形式是把函数信号发生器设计成单台仪器的形式，其优点是精度高，可独立工作。(2)PC总线式PC(Personal Computer)总线式是将函数信号发生器板卡直接插在PC机的总线扩展槽或通过外部接口连接到PC总线上，利用PC机来控制函数信号发生器的工作状态，其优点是可以充分利用PC机的软硬件资源，在波形数据处理、波形参数修改方面，计算机有明显的优势。(3)VXI模块式VXI模块是一种新型的模块化仪器，它必须插在VXI总线机箱上才能使用VXI总线机箱通过GPIB或者RS232C等接口与计算机相连，VXI模块仪器对组成自动测试系统特别有用，各个公司的VXI卡式仪器模块可以自由组合使用。（2） 选题在理论研究或实际应用方面的意义和价值；从国内已有的高精度高稳定性信号源产品来看，无论是从种类、性能还是生产规模上均与国外同类产品存在较大差距。因此，加紧高精度高稳定性信号源相关技术的研究是非常必要的，对发展我国电子行业的发展有着非常重要的影响，并且具有广阔的发展前景，若能与国外同类产品保持在性价比上的优势，将可以打破国外的技术和市场垄断地位。如何降低高精度高稳定性信号源的成本并提高其性能指标是本课题研究的重点。本文结合DDS技术、USB2.0总线接口技术，并借助微控制器等技术实现一款成本低、便携式、可扩展的高精度高稳定性信号源。在学习、借鉴国外先进技术的同时，研究、掌握基于DDS技术的任意波形发生器的基本组成和关键技术，为研制高性能、多通道任意波形发生器打下坚实的基础，为早日实现国产任意波形发生器达到世界先进水平而努力。本课题研究的高精度高稳定性信号源的性能指标主要包括： (1)通道数：2个，一个作为输出通道，一个作为外输入调制通道； (2)输出波形：正弦波、占空比可调方波、三角波、锯齿波等； (3)调制性能：调幅、调频、幅移键控、频移键控、相移键控； (5)幅值分辨率：10bits； (6)频率分辩率：O05Hz； (7)系统参考时钟频率：300MHz； (8) 频率范围：正弦波，005Hz50MHz； (9)负载能力：5010； (10)幅度范围：3V+3V； (11)偏置范围：14V+14V； (12)频率准确度：士O1 在功能上，该高精度高稳定性信号源、应具有良好的人机界面，能便捷操作，可靠连接，使用方便，能够输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等常规波形，对某些信号的占空比可进行调节。二、 自身研究工作主要研究了基于DDS的高精度高稳定性信号源的设计与实现，在分析DDS基本原理的基础上，对 DDS产生的噪声和杂散进行抑制，利用相关的开发工具，开发出了高精度高稳定性信号源的硬件平台和软件界面。本文所述的高精度高稳定性信号源的参考信号源由原子钟提供10MHz标准信号经倍频后送给专用的直接数字频率合成芯片AD9854。系统控制采用TI公司的MSC1210单片机作为系统的主控核心。显示采用LCD显示，可以显示汉字、英文、数字，分率高，方便人机对话。输入采用44矩阵键盘。该高精度高稳定性信号源应具有成本低、可扩展、符合人体工程学、人机界面友好等特点，又具备传统台式任意波形发生器的优良性能，能够产生各种常规波形，如正弦波、方波、三角波、锯齿波等，也能由用户自定义的任意波形，另外它还可以产生噪声信号和调幅、调频及多种数字调制信号。三、 课题实现的最终目标和研究成果形式本课题的最终目标是开发设计出一款高精度高稳定性的信号源。研究成果形式为论文、软件、硬件。文献综述信号源的发展及现状 信号源是电子信息科学领域和实验室的常用设备之一，为电子测量和计量提供基准信号，在国防、教学、科研、生产、生物工程、遥控遥测等等众多领域都有着广泛的应用。自从上世纪40年代惠普为美国海军实验室开发出第一台信号发生器开始，信号发生器一直随着电子技术、半导体技术和计算机技术的发展而发展。二十年代，当电子设备刚开始出现时，信号源就出现了。随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现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。同时还出现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结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单 (与数字仪器、示波器等相比)，因此发展速度较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。从技术上看，信号发生器经历了由模拟信号发生器、数字信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程。发展到今天，信号发生器的种类已经多种多样，包括正弦信号发生器、脉冲发生器、函数发生器、扫描发生器、任意波形发生器等。按照应用范围又可分为专用信号发生器和通用信号发生器。早期的信号发生器大都采用谐振法，后来出现采用锁相频率合成技术的信号发生器。但基于模拟技术的传统信号发生器能够产生的信号类型非常有限，一般只能生成正弦波、方波、三角波等少数的规则波形。随着电子技术，尤其是军事电子技术革新带来的新体制武器装备的发展与应用，电子信号频率上限、信号带宽和调制带宽不断拓展，调制种类不断增加，波形任意化程度加剧，由于频率源是现代电子系统的重要组成部分，各类电子系统对频率源的要求越来越高，对频率分辨率、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满足各类电子系统对频率源的要求。以高速数字采样为核心的时域测试正在成为现代电子测试技术的主流方向。频率合成技术从20世纪30年代末开始建立，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。早期的合成器是出一组晶体组成的晶体振荡器，需要多少个频率，就得有多少个晶体，晶体由人工来接入和断开，它的频率准确度和稳定度由晶体的准确度和稳定度来决定，基本与电路无关。随后出现了直接频率合成(DS-Direct Synthesis)的方法，直接法被称为第一代频率合成技术。它利用混频器、倍频器和分频器完成对参考频率的加减乘除，产生出各种新频率，再用滤波器和电子开关分别选出所需的频率来，经过放大器、滤波器后输出，其中混频器可视为对频率进行加减，倍频器和分频器可视为对频率进行相乘和相除。这种方法的相位噪声好坏主要决定于晶振的质量，杂散决定于滤波器的好坏和电磁兼容性设计的合理程度，跳频时间主要决定于电子开关的速度。其结构复杂、难以集成、输出频谱纯度不高、寄生分量多第二代频率合成技术是应用锁相环(PLLPhaLocked Loop)的频率合成方法。20世纪50年代出现了模拟锁相环技术，模拟锁相环可等效为窄带轻基波器，所以这种频率合成杂散性能较好，由于主要使用正弦鉴相器，所以系统相位噪声性能较好，但这种方法电路复杂，体积较大，成本较高。在20世纪60年代又相继出现了全数字锁相环和数模混合的锁相环，使该技术得到了迅速发展。数字锁相环采用在锁相环内插入数字分频器和数字鉴相器的方法，分频器常用的有：程控分频器、吞除脉冲分频器和小数分频器。数字锁相环除具有数字电路的优点外，还解决了若干模拟锁相环遇到的难题，如直流零点漂移、部件饱和、必须进行初始校准等，此外还具有对离散样值的实时处理能力。它具有体积小、成本低、频率步进小、可靠性高和可实现大规模集成等优点。数字锁相频率合成技术结构简单，频率也可以做得很高，但同时也具有模拟锁相环的缺点，频率转换时间长、环路抗干扰能力差等诸多不足。1971年3月，JTiemey和cM。Tader等人首次提出了以全数字技术、从相位概念出发直接合成所需频率的直接数字频率台成(DDS-Direct Digital Synthesis)技术，标志着频率合成技术进入到第三代。近二十年来，随着大规模集成(LSI)电路和超大规模集成(VLSI)电路技术的迅速发展以及高速数/模换器(DAC)的出现，直接数字式频率合成技术得到了飞速发展，它在频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面，已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，具有输出频率转换时间(可达纳秒量级)短、频率分辨率高(可达微赫兹级)、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、体积小、实施调制灵活、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等技术的出现以及对DDS理论的进一步探讨,使DDS技术得到飞速发展,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发展而出现的一种新的频率合成技术。它是从相位的概念出发进行频率合成，采用数字取样技术，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。与传统的频率合成技术相比，DDS技术具有频率分辨率高、相位变化连续、频率变化快速、对输出信号易实现多种调制等优点。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穷。但由于幅度和相位信息用数字量表示，就不可避免地存在量化精度问题，造成输出信号的幅度失真和相位失真，最终引起DDS频率合成的输出信号杂较散大。采取有效的措施，可以大大降低杂散，但必定不能彻底消除。另外DDS的输出频带有限，根据Nyquist采样理论，输出最高频率不能超过0.5fc(fc为DDS的系统频率)实际工作中为了保证输出频率和镜象频率可以有效地分开，最高频率的取值一般为0.4 fc，这也是目前限制DDS发展的主要问题之一，不过，随着超高速ECL和GaAs器件的出现，DDS的频带限制己经逐渐地得到改善。在DDS频率合成方面，目前生产DDS芯片的公司主要有美国的Qualeomm，AD，Seiteg，Standford，Harris，Synegy以及法国的Omerga，Dassault公司等。其中ADS-431的时钟频率为1.6GHz，分辨率1Hz，杂散-45dBc，变频时间30ns；美国AD公司也相继推出了AD985X系列DDS芯片，其中AD9858的时钟频率达1 GHz，相噪优于-147dBcHzlkHz，杂散低于-84dBc。根据查阅的100多篇各种文献资料分析，目前基于DDS技术的信号源其控制系统多采用单片机、FPGA、ARM、CPLD、DSP、ASIC技术。对杂散及噪声的控制采用ROM压缩算法、Taylor级数算法、相位截断、相位抖动、内插相位等技术来实现。滤波器有源和无源都有但是主要采用贝塞尔滤波器（Bessel）、巴特沃斯滤波器（Batterworth）、椭圆函数滤波器这几种滤波器。软件开发方面采用了C/OS、Sopc.Builder、Quartus、visual C+、CCS、VHDL、Keill等软件来开发。PCB制版方面，一般采用双层板，也有采用多层板的。技术方案主要有如下几种方案：MCU+DDS、DDS+PLL、DSP+DDS、FPGA+DDS、CPLD+DDS等等方案。参考文献1 龚航.低相位噪声高精度相位可控频率合成技术研究与应用.长沙:国防科学技术大学硕士学位论文2 王轶.基于DDS+PLL技术的高性能频率源研究与实现。长沙:国防科学技术大学工学硕士学位论文3 田书林.基于数字采样的高速波形产生与获取技术研究.成都:电子科技大学博士学位论文4 David Brandon and Ken Gentile DDS-Based Clock Jitter Performance vs. DAC Reconstruction Filter Performance Analog Devices, Inc.20065 D.K.Shaeffer and T.H.Lee. A 1.5-V,1.5-GHz CMOS low Noise Amplifier,IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.32,no.5pp745759，May 1997.6 Madou A., and Martens, L.,Electrical behavior of decoupling capacitors embedded in multilayered PCBs,IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol.43, no.4, November 2001, pp.5495667 David Brandon Synchronizing Multiple AD9852 DDS-Based Synthesizers Analog Devices, Inc.2003.8 Sakabe, Y., Hayashi, M., Ozaki, T., and Cannr, J.P., High frequency measurement of multilayer ceramic capacitors, IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, Part B:Advanced Packaging,vol. 19,no.1,February 1996.9 A Technical Tutorial on Digetal Signal SynthesisAnalog Devices, Inc .1999.10. Corral,C., Designing elliptic filters with maximum selectivity, END ,May 25,2000, pp.101109.11 Mike Hummel and Kevin Buckley Provisioning Data Rates Using the AD