[工学]第5章电子测量技术.ppt

5.4 直接数字频率合成及任意波形发生器 直接数字频率合成法 直接数字频率合成(Direct Digital Synthesis) 基本原理是基于取样技术和计算技术,从“相位”的概念出发进行频率合成。 这种合成方法不仅可以给出不同频率的正弦波,而且还可以给出不同初始相位的正弦波,甚至可以给出各种任意波形。 直接数字频率合成 波形存储检索表 波形存储器的全部单元存储一个周期的波形数据,存储地址和波形的相位是一一对应的关系。 检索表相当于一个相位/振幅变换器 以正弦波为例,在正弦波一周期(360°)内,按相位划分为若干等分Δφ,将各相位所对应的幅值A按二进制编码并存入波形存储检索表(ROM)。 设Δφ＝6°,则一周期内共有60等分。由于正弦波对180°为奇对称,对90°和270°为偶对称,因此ROM中只需存0~90°范围内的幅值码。 若以Δφ＝6°计算,在0~90°之间共有15等分,其幅值在ROM中占16个地址单元。因为24＝l6,所以可以按4位地址码对数据ROM进行寻址。 直接数字频率合成 如果按照0000,000l,0010,…,1111的地址顺序读出ROM中的数据,即表格中的幅值编码,其输出正弦信号频率为f01； 如果每隔一个地址读一次数据(即按0000,0010, 0100,…,1110顺序),其输出信号频率为f02,且f02将比f01提高一倍,即f02 ＝2 f01 ； 依此类推,就可以实现直接数字频率合成器的输出频率的调节。 相位累加器 相位累加器类似于一个简单的计数器,每来一个时钟脉冲,加法器就将相位码增量k与相位寄存器中的数据相加。 相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加。 相位累加器 相位递增寄存器中的相位码增量k可用于频率控制,k越大,相位码和存储器地址增长越快,波形的一个周期中输出的采样点数越少。因时钟周期不变,所以输出信号的频率越高。 反之,k越小输出频率越低。 DDFS的分辨率和输出频率 设相位码的位数为N,频率控制字为k,参考时钟频率为fCLK,则DDFS输出频率为： 频率分辨率 实际应用中一般取1≤k≤2N-2 直接数字频率合成 优点：能实现快捷变和小步进,且集成度高,体积小 缺点：频率上限较低,杂散也较大。 虽然DDFS的高端频率近年来不断扩展,但在微波及其以上频率,目前使用较多的仍是锁相式频率合成器。 在高端频率达到GHz或更高的信号源中,目前广泛使用DDFS技术产生调制信号及频率较低的信号 频率合成技术的进展 三种合成方法的比较 任意波形发生器 能产生所要求任意波形的信号源称为任意波形发生器(AWG)或任意函数发生(AFG)。 自然界的信号本来就是复杂的,很难用简单的函数来描绘。即使是像正弦、方波这样简单的波形,也往往需要研究它受到干扰或有一定缺陷时的情况。 采用微处理器和大规模集成电路的DDFS技术就是任意波形发生器中经常采用的支撑技术,或者说当前在AWG中主要靠DDFS技术实现任意波形的产生部分。 AFG 任意波形/ 函数发生器(AFG)通过读取内存的内容,来同时创建函数波形和任意波形。 大多数现代AFG 采用直接信号合成(DDS)技术,在广泛的频率范围上提供信号。 AFG AFG 的时钟以某个固定速率运行。由于波形样点的数量在内存中是固定的,因此基于DDS 的仪器不是读取每个样点来重建波形。 AFG保持固定的系统时钟频率。360度时钟周期分布在所有波形样点中,DDS 段根据波形长度及用户选择的频率自动确定相位增量。 高频设置会导致大的相位增量,使AFG 在通过360 度周期时迅速向前跳,提供高频信号。 低频值导致小的增量,触发相位累加器以较低的步长步进通过波形样点,甚至会重复各个样点,构成360度,生成频率较低的波形。 AWG 任意波形发生器(AWG)基于可变时钟结构,适用于在所有频率上生成比较复杂的波形。 AWG 也读取内存的内容,但其读取方式不同。处理先进通信和计算单元的设计人员选择AWG,驱动采用复杂调制和带有异常事件的高速信号。 AWG AWG的流程可以视为“反向取样”。AWG开始时波形已经在内存中。波形占用指定数量的内存位置。 由于代表波形的样点数量是固定的,因此时钟速率越快,读取内存中波形数据点的速度越快,输出频率越高。换句话说,输出信号频率完全取决于时钟频率和内存中的波形样点数量。 AWG 的灵活性源自其内存中存储的波形。 波形可以采取任何形状；它可以有任意数量的畸变,或根本没有畸变。在基于PC 的工具的帮助下,用户可以开发人们想得到的几乎任何波形(在物理限制内!)。可以在仪器能够生成的任何时钟频率上,从内存中读取样点。 不管时钟是以1 MHz运行还是以1 GHz运行,波形的形状相同。 任意波形发生器的常用技术指标 最高采样率 采样