基于单片机的函数信号发生器设的正文.doc

第一章 绪 论 测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，激励仪器主要是各类信号发生器。信号发生器按工作原理可分为:调谐信号发生器、锁相和合成信号发生器。 (1) 调谐信号发生器是由调谐振荡器构成。传统调谐信号发生器都是由调谐振荡器和统调的调幅放大器(输出放大器)加上一些指示电路构成。这种信号发生器结构复杂、频率范围窄，而且可靠性、稳定性较差，但其价格低廉。随着半导体器件的发展，其性能有所改善。 (2) 锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号频率的信号发生器。这种信号发生器频率精度和稳定度高，但要实现快速、程控比较困难，同时输出信号的频率分辨率较差。 (3) 合成信号发生器是采用频率合成的方法构成的信号发生器。由于合成信号发生器具有较高的频率稳定度，很容易实现数字显示频率，因此，频率分辨率高和频率的设定重复性好，以及能方便实现频率的程序控制是合成信号发生器的重要特点。随着数字集成电路和微电子技术的发展，直接数字合成技术(Direct Digital Synthesis,简称DDS)将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，优越的性能和突出的特点使其成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS器件采用了高速数字电路和高速D/A转换技术，具备了频率转换时间短、相对带宽宽、频率分辨率高、输出相位连续和相位可快速程控切换等优点，可以实现对信号的全数字式调制。而且，由于DDS是数字化高密度集成电路产品，芯片体积小、功耗低，因此可以用DDS构成高性能频率合成信号源来取代传统频率信号源产品。 图1.1 DDS技术原理框图 1.2 DDS的工作原理 直接数字式频率合成技术原理如图1.1 所示。 以合成正弦波为例，首先，把一个周期的弦波按一定的相位间隔分成若干离散点，求出相应点的正弦函数值，并用二进制数表示，将这些数值依次写入ROM中，构成一个正弦表，频率合成是在标准时钟的作用下，相位累加器按一定的间隔输出相应相位点的正弦函数值，经D/A 转换器转换为阶梯状的正弦波，最后经低通滤波器对阶梯正弦波进行平滑滤波，即可输出较为标准的正弦波在特定的时钟频率下，输出的正弦波频率取决于相位累加器累加数值K，即fo=Kfc /2A(式1一1) 由1-1式可知,K值越大,则正弦波的频率越高，通过改变频率控制字K可以改变DDS输出频率,对输出信号的相位控制是通过给相位累加器设置不同的初值来实现的。 DDS技术具有传统信合成方法所不具备的许多特点: (1) 频率分辨率高： 由 ,可得分辨率为△f=/2N ，若时钟频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N决定。因为N一般取得很大。 (2) 频率切换快 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。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。因为频率转换的时间等于的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。再加上低通滤波器为主的器件响应时间很短，使得高速DDS系统的频率切换时间可达到纳秒级。 (3) 输出相对带宽较宽 输出频率带宽为50% (理论值),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，DDS实际输出频率范围可达:0^40%。 (4) 频率变化时相位连续 改变DDS输出频率，实质就是改变相位增长率。而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。 (5) 输出信号灵活 在DDS内部加上相应控制如FM调频控制、PM调相控制和AM调幅控制，即可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。改变ROM中存储的数据，可以实现任意波形输出。 (6) 杂散抑制差 由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个:相位累加器相位舍位造成的杂散;幅度量化误差(由存储器有限字长引起)造成的杂散，DAC非理想特性造成的杂散。 (7) 输出带宽较窄 由于DDS内部DAC和波形存储器的工作速度限制，使得DDS输出的最高频率有限，不能直接运用于微波频段。 1.3 本文的主要研究内容 本论文的任务是根据信号发生器的特点和应用情况，结合新一代高性能芯片设计一种使用简单、性能优良的信号发生器。该信号发生器可输出正弦波、三角波、方波；若再进一步开发控制算法，可具有AM, FM, PM, FSK, PSK, ASK调制功能以及扫频等功能。 本设计的主要工作如下: (1) 比较多种信号发生器的工作原理，分析它们的优缺点，最后确定了以DDS技术为核心研制信号发生器的方案。对DDS的工作原理和优缺点做了简单的介绍和分析。比较了不同类型的DDS芯片的特点，并做出选择 (2) 系统总体方案设计。将DDS信号发生器的系统分