基于fpga的数字低频相位测量仪的设计

1、基于DDS 的幅频可控型信号发生器设计电气工程及自动化学院：张琳 指导教师：胡鹏程摘 要：本论文依托于双声光移频频差分裂技术方案和直接频率数字合成技术，针对高速测量中双声光移频信号频率和幅度连续可调的特点和移频范围大、精度高、分辨率小的要求，分析设计了幅频可控型正弦信号发生器及滤波电路，并对电路系统进行了性能测试，经实验验证本文设计的信号发生器满足了激光干涉仪不同测量速度下对频差信号的要求。关键词：直接数字频率合成；信号发生器；双频激光干涉仪Abstract ：This paper bases on the program of double acousto-optic frequency d

2、ifference splitting technology and the principleof direct frequency digital synthesis technique. Furthermore, making use of the continuously adjustable property and the requirement of large frequency shift range, high accuracy and resolution of small , an amplitude and frequency controllable type of

3、 sinusoidal signal generator and filter circuit had been analyzed and designed. By experimental verification, the design of the signal generator in this paper could meet the requirement of frequency difference for different measuring speeds.Key words：Direct digital frequency synthesizer signal gener

4、ator dual-frequency laser interferometer1 引 言目前，快速超精密双频激光干涉仪已成为集成超精密加工和微电子装备所亟需大型加工测试装备的重要前提条件之一，但随着各种动态测量技术的发展，要求激光干涉仪不但具有很高的精度，还要有极快的测量速度，以完成各种动态测量任务，而频差信号的频差值大小直接影响到双频激光干涉仪所能达到的最大测量速度，而大的频差信号会造成后续处理电路的设计难度，因此，如何获得适当的稳定频差信号技术，使其兼顾测量速度和信号处理难度，已成为快速超精密双频激光干涉仪的核心及难点问题之一。本课题源于黑龙江省科技公关项目“100m 快速激光干涉仪”，

5、主要目的是设计频率为8015MHz 的双路幅频可控型正弦信号发生器及滤波电路，利用双声光差值移频技术，获得频差值适中的频差信号，并最终应用于快速超精密双频激光干涉仪系统中。2 基于DDS 技术的频率合成系统设计2.1 硬件设计频率合成系统硬件采用模块化设计，主要分为控制模块、DDS 模块、滤波模块及运算放大模块，系统的硬件结构框图见图2-1。整体设计方案如下：由单片机为DDS 芯片提供控制信号，两片DDS 在共同的参考时钟的作用下，合成频率可调且范围在8015MHz 的正弦信号，经无源低通滤波模块滤除高频噪声，最终经运算放大模块对输出信号调整放大并实现与声光调制器的匹配。下面对于系统的各模块给

6、以详细的介绍。 图2-1 DDS 系统硬件结构框图1基于MSP430的幅频控制模块控制模块设计控制部分采用美国TI 公司生产的单片机MSP430F169，可划分为频率控制部分和幅度控制部分。 频率控制部分，如图2-2所示，被控器件为两片AD9852，利用单片机的I/O口模拟串行通信为其提供串行通信的时钟和数据，将频率控制字写入AD9852中，从而实现输出信号频率的改变。幅度控制部分，如图3-4所示，被控器件为两片数字变位器MAX5451，利用单片机I/O口为两片数字变位器MAX5451提供片选信号CS ，阻值增减选择控制信号U/D， 及阻值改变控制信号INC ，从而实现对输出信号幅值调整。图2

7、-2 频率控制部分的电路结构框图 图2-3 幅度控制部分的电路结构框图2基于AD9852的DDS模块DDS 电路是整个系统电路设计的核心，本文采用AD 公司生产的AD9852作为该电路系统的核心芯片，其内部最高时钟可达300MHz ，双向的48位频率控制字可使得输出信号的频率分辨率达到1.066Hz ，提供单端获差分时钟输入。DDS 模块电路结构框图如图2-4所示。DVDDDGND 图2-4 基于AD9852的DDS 模块电路原理图为有效地降低2片AD9852参考时钟间的相位误差，因此本系统采用了参考时钟差分输入的方式。如图2-5所示，本设计使用Motorola 公司MC100LVEL16作为

8、差分时钟转换器。为了实现参考时钟同步，令2片AD9852共用一个外部时钟晶振，晶振输出的信号利用零延时缓存器CY2305分为两路，分别送入两个差分时钟生成器，经过转化后输入2片AD9852。AD9852可实现串行通信和并行通信，本设计采用串行通信。其串行通信周期分为2个阶段，串行时钟的前8个上升沿对应于指令周期，在指令周期中，用户向AD9852的串口控制器发送命令字来控制，随后进行的串行数据传输。数据传输周期从串行时钟的第9个上升沿开始，输入数据在时钟上升沿写入，输出的数据则在时钟的下降沿读出1。 图2-5 AD9852差分时钟输入结构框图3无源低通滤波模块设计为了从DDS 电路获得宽带的理想

9、正弦信号输出，除了DDS 芯片内部D/A转换器本身的性能起关键作用外，输出部分的低通滤波电路也至关重要。合理地应用它可以极大地提高输出信号中频谱的纯度，增大SFDR(无杂散动态范围 ，以降低信号的边带噪声2。由于椭圆滤波器的转移函数有零点在jw 轴上，其幅度响应具有最窄的过渡带，阻带衰减较大，因此决定采用高阶无源椭圆低通滤波器。本文需设计一个截止频率为120MHz 的7阶椭圆滤波器，通带内波动小于0.3dB ，两终端电阻为50欧姆，经计算查表获得个元件参数如图2-6所示。 4共模抑制差动放大电路设计本设计放大模块利用AD9852内部DAC 输出的两路反相正弦信号，经差动放大电路去除共模噪声，实

10、现对输出信号幅值放大和阻抗匹配。运算放大器选用THS3001，其带宽为420MHz ，供电电压为15V ，输出的最大电压可达13V(输出电压随负载值的不同在小范围内改变 。其电路结构如图2-7所示。利用数字变位器MAX5451可实现对1R 和3R 同步调整，从而实现对输出信号幅值的调整。 o图2-7 差分运算放大电路2.2 软件设计系统软件功能主要从频率调整和幅度调整两方面实现，基于IAR Embedded Workbench EW430开发环境，利用C 编程语言，采用顺序流程，通过修改DDS 的频率控制字实现对输出信号的频率调整；改变数字变位器MAX5451串入运算放大电路中的阻值实现对输出

11、信号的幅度改变。其程序控制流程图如图2-8所示。 图2-8 系统程序控制流程图3 系统性能测试结果及分析3.1 系统各单元模块性能分析系统的电路实物图及各模块划分如图3-1所示，分析各模块的性能特点。 图3-1 系统电路实物图及各模块划分1 低通滤波器波形及频谱分析图3-2为f =90MHz的滤波前后的波形及频谱图，对比观察可知，带宽为120MHz 滤波器可以较好的滤除nf s f0处的杂散，对于其他高频噪声信号有较好的抑制作用，有用信号的衰减在允许范围内，波形失真明显减小。 a 滤波前信号波形b 滤波后信号波形 c 滤波前信号频谱d 滤波后信号频谱图3-2 f=90MHz 滤波前后波形及频谱

12、图2 放大模块输出信号波形及频谱分析图3-3为f =80MHz的信号放大前后的波形及频谱图，对比观察可知，放大后的波形平滑性明显哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计（论文）选集 改善，波形失真度降低。有用信号增强，信噪比明显升高。 a 放大前输出信号波形 b 放大后输出信号波形 c 放大前输出信号频谱 图 3-3 d 放大后输出信号频谱 f=80MHz 放大前后信号波形及频谱图 3.2 系统性能指标特性测试 1频率准确度测试 利用已有的测频平台，通过改变 DDS 芯片的频率控制字，在系统带宽范围内，测量 AD9852 输 出信号的频率值，如表 5-1 所示，系统带宽范围内最大误差为 2

13、8Hz。 表 3-1 带宽范围内的频率的漂移量 设定值/MHz 65 70 75 80 85 90 95 测量值/Hz 65 000 08 70 000 015 74 999 980 79 999 989 85 000 016 89 999 983 94 999 972 误差/Hz 8 15 20 11 16 17 28 2相对稳定度测试 实验中分别取 70MHz、80MHz、90MHz 频率点处进行测试，对其输出频率进行短期监测，采样 - 264 - 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计（论文）选集 间隔为 0.2 秒，采样时间均为 40 分钟。频率相对稳定度见表 3-2，频率值随时

14、间变化情况见图 3-4。 a 设定频率( f=70MHz b 设定频率( f=80MHz c 设定频率( f=90MHz 图 3-4 频率采样图 表 3-2 频率相对稳定度 设定频率/MHz 70 80 90 最大频率值/Hz 70 000 024 80 000 024 90 000 048 最小频率值/Hz 69 999 968 79 999 960 89 999 968 稳定度 8.0E7 8.0E7 8.9E7 3幅度调整范围测试 由声光移频原理可知，为获得最佳衍射效率，要求输出信号的幅值可调。本设计输出的正弦信 号频率范围为 8015MHz，频率较高，实验室现有测试设备无法对此信号的幅

15、度值进行高精度的测 量。 通过改变接入运算放大器的数字变位器阻值来调整输出信号的幅值，利用示波器得出其信号输 出幅度范围为 1V-13V， 满足声光调制器对驱动电压的幅度范围要求。 3-5 为测试点频率 f =90MHz， 图 电压峰峰值分别为 1.70V 和 10.6V 的信号波形图。 - 265 - 哈尔滨工业大学 2009 届本科优秀毕业设计（论文）选集 V pp =1.70V V pp =2.20V 图 3-5 输出信号幅度图 结 论 本文设计了以单片机 MSP430 为主控器、 AD9852 为核心频率发生器的幅频可控正弦信号发生 以 电路系统， 并针对 AD9852 芯片输出信号具有台阶效应和高频杂散噪声的缺点， 设计了七阶椭圆滤波 网络和差分放大电路输出，有效地去除了高频杂散噪声、共模噪声，提高了信噪比。利用 C 编程语 言设计单片机控制程序。通过修改 DDS 的频率控制字实现对输出信号的频率调整；改变数字变位器 MAX5451 串入运算放大电路中的阻值实现对输出信号的幅度改变。 经实验验证表明：本文所设计幅频可控正弦信号发生系统，频率调整范围为