【《某信号发生器的系统总体设计案例》2800字】

第一章绪论某信号发生器的系统总体设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u7000某信号发生器的系统总体设计案例 1175451.1系统结构分析 1318371.2系统框图 1272251.3系统总体流程图 243331.4DDS技术 4309171.4.1DDS的基本原理 4263541.4.2DDS的性能特点 5168891.4.3相位累加器 6154031.4.4波形存储器 6307101.4.5DA转换器 784191.4.6低通滤波器 8160931.5DDS数学模型 81.1系统结构分析本次设计将系统分为波形产生模块（DDS）、单片机模块（系统控制与数据运算）、按键模块与显示模块四部分，其中DDS模块将采用性能良好性价比高的AD9833芯片，单片机模块将采用操作方便功能强大的STC89C52型单片机，显示屏使用LCD1026即可。该系统的输出信号频率在0-30NHz之间可调，并且可以实现调幅调相的功能，可通过按键选择输出波形。1.2系统框图在查阅文献资料并与老师讨论后，决定如下总体设计方案：系统的控制与数据运算功能交由STC89C51型单片机：由DDS芯片AD9833作为系统的信号发生部分，通过按键控制与屏幕显示共同构成系统的整体框架。图2-1系统总体框图1.3系统总体流程图NNY图2-2系统流程图1.4DDS技术1.4.1DDS的基本原理从整体角度而言，DDS系统结构可分成下述几部分内容：（1）频率控制字，能够将外部输入而来的各项频率在通过公式进行转换；（2）准确时钟，通常为晶体振荡器，能够成为一项系统基准频率，并以此为基础对系统电路作出调节，使得各环节电路处在同一步调；（3）相位累加设备，是直接数字频率合成技术最为重要的部分，其工作原理与计时器有异曲同工之妙，一般可以分为1个寄存设备和2个加法器；（4）波形存储器，通常所存储的内容为正弦函数表格，并以此为基础转化为幅值；（5）数模转换器，能够将波形存储器对外发出的离散信号进行转换，从而形成模拟波形信号；（6）低通滤波器，降低模式转换环节存在的量化误差，使得波形得到有效平整，同时可以获得更为出色的正弦波波形。由图3内容能够获知DDS系统原理情况。图2-3DDS系统原理图1.4.2DDS的性能特点（1）输出频率相对带宽较宽输出信号的频率带宽理论上大概在50%ｆs左右。但在实际操作中，由于环境的影响，系统设计的误差与元器件的属性对于输出信号的具体影响，其中频率带宽约为四成fs。（2）频率转换时间短DDS系统具有开环特点，结构简单，可直接进行频率转换。这就是DDS技术频率转换速率优于其他频率合成技术的原因。在DDS系统中，如果频率的控制字节发生了改变，那么它需要经过一个时钟周期才能实现频率的转换，因为一个周期后它就可以进行新的相位累加了。说白了就是频率转换时间取决于DDS系统所配置的时钟频率，且从整体角度而言，时钟频率与时钟周期之间存在负相关关系，如果频率转换速度非常快，则转换时间往往可以非常短，这是远远优于其他频率合成技术的。（3）频率分辨率极高在DDS系统中，时钟频率并不会出现转变，其中频率分辨率大小与相位累加器对应位数存在直接关联，且位数与分辨率之间存在负相关关系，换言之，相位累加器对应位数持续提升，则DDS频率分辨率数值能够非常小。现在的大多数DDS的频率分辨率在1Hz级，更有甚者能够小于1MHz。（4）相位变化连续DDS信号频率出现一定变化之后，时钟周期对应的相位增加量持续提升，同时相位函数保持连续性，因此只在频率出现变动的瞬间会形成相应突变，并不会对相位的连续性造成影响，因而DDS的信号相位变化是连续的。（5）输出波形的灵活性DDS系统可以实现对输出波形的调频、调幅与调相。其可以通过加载调频、调幅、调相控制来完成对输出波形的调频、调幅与调相。且在DDS的波形存储器中加入不同波形数据就可以改变其输出信号波形类型，例如三角波、正弦波和方波，条件允许的情况下甚至可以输出其他任意波形。如若想得到正交的两路输出，只要在DDS内部的波形存储器分别存放正余弦函数表即可。（6）其他优点DDS的元器件集成方便、获取简单、价格低廉、成本低，DDS的设计电路简练、易于操作、稳定性强、有很高的性价比。1.4.3相位累加器DDS的相位累加器有一个N位相位寄存器和一个累加器组成，累加器又由两个加法器组成。其工作过程是频率控制字节K在累加器中与前一个从相位寄存器中输出值相加，之后再由累加器的输出端进入N位相位寄存器，而数据进入相位寄存器后又会从寄存器的输出端返回到累加器中，频率控制字的改变也就能让相位的变化变得连续，系统一直重复这个过程，最终使得数据完全充满整个相位寄存器并实现溢出，此时表明形成1个时钟周期，且将相位寄存器对应外溢的频率作为最终输出频率。系统在结束1个时钟周期之后，会对累加器中的相关数值作出清空，此时系统能够转入下1周期，且可以持续对数据作出累加。加法器能够结合相位控制字的方式对波形作出有效的相位控制。相位累加器的实际运行原理可如下图所示：图2-4相位累加器1.4.4波形存储器在整个系统中，波形存储器的具体作用主要为将相位累加器中的相关数据进行转换，即将相位、频率等相关量化序列转变为与波形幅度相关的量化序列（如图3）。波形存储器可以作为前后转换的载体，实现信号有效转变和传递。在获得上级发送而来的相位量化序列信号后，相应的相位量化序列中的相位地址将会与幅值序列发生映射，进而将频率与相位量化序列转换成波形幅度量化序列，其工作过程由图下图所示。图2-5波形存储器1.4.5DA转换器该类转换器通常也被称作数模转换器，能够将所获得的处于离散状态的数字信号有效转变成具有高度连续性特征的模拟信号，其中上级传递而来的数字信号为二进制，经过转换之后可以形成正相关模拟量。如果采样周期非常大，则能够通过采样环节所获得的序列则非常小，此时DA转换器难以有效输出对应的模拟正弦波信号。在实际转换中，最终对外输出的信号质量与DA转换器的具体性能存在直接关系，因此频率合成技术涉及的DA转换器需保持较强性能，即分辨率较为出色。DA转换器转换过程如下图所示：图2-6DA转换器1.4.6低通滤波器该项工具的功能是滤除输出信号中的杂波，并且可以减小外界对信号输出的干扰，从而将嘈杂不稳定的一些信号转变的更为平滑和纯净，且其性能强弱与输出信号质量存在密切关联（见图5）。图2-7低通滤波器1.5DDS数学模型正弦波信号计算公式如下：（1.1）若U=1,QUOTEθ0θ0=0，则n=0,1,2…（1.2）通过频率fc对于u(t)进行间隔取样，获得采样波形序列如下表述：（1.3）此时离散相位序列可以如下表述：n=0,1,2…（1.4）其中（1.5）为对应的相位增量，能够反映连续2次采样操作所获得差距，即：f0小于fc。这表明，f0的决定因素为，因此在实际系统运行时，对作出有效控制，即可获得合成信号对应频率。通过M对周期相位2π进行分割，所获得的每一份以δ进行表示，即：（1.6）相位增量为Kδ，f0计算公式如下：（1.7）模拟信号计算公式：K、M为正整数（1.8）DDS系统中，设累加器对应位宽M的表达公式为，即f0计算公式如下：（1.9）由此可见，K数值直接与f0结果存在直接关联，K数值为1时能够得到系统最低频率，则可以明确频率分辨率：（1