競賽中數(shù)字技術和dsp的運用

競賽中的模擬電路運用

和

數(shù)字信號處理技術的應用東南大學無線電束海泉8512105283792479

2005.5.22失真度儀

數(shù)字技術實現(xiàn)方法失真度儀的概念傳統(tǒng)的失真度儀實現(xiàn)方案數(shù)字化的實現(xiàn)方案方案一:數(shù)字濾波器實現(xiàn)陷波濾波方案二:利用FFT進行數(shù)字頻譜分析方案三:組合運用濾波和FFT,

以擴大分析的動態(tài)范圍預處理---數(shù)字濾波---FFT分析

---結果處理---顯示數(shù)字化控制系統(tǒng)

的性能設計

數(shù)字補償網(wǎng)絡的設計控制系統(tǒng)的數(shù)學描述微分方程傳遞函數(shù)狀態(tài)方程一個簡單機電系統(tǒng)的數(shù)學模型系統(tǒng)的外部描述,表現(xiàn)為輸入輸出之間的微分方程系統(tǒng),本例為二階方程.(3)若采用系統(tǒng)的兩個變量電流和轉速I,n來描述,則為二元一階方程組(1)(2)上述兩個變量為系統(tǒng)的狀態(tài)變量實現(xiàn)解耦后系統(tǒng)的狀態(tài)變量圖微分方程的時間解

－－系統(tǒng)的時域分析測量方法：沖擊響應階躍響應斜坡響應隨動系統(tǒng)的時間響應一階二階系統(tǒng)時域響應的評價指標上升時間峰值時間超調量調節(jié)時間穩(wěn)態(tài)誤差阻尼振蕩…………從頻率特性判斷系統(tǒng)的性能頻率特性與穩(wěn)定性

幅值裕度和相位裕度增加校正環(huán)節(jié)

改變系統(tǒng)特性常見的模擬電路校正網(wǎng)絡，其傳遞函數(shù)和頻率特性PID系統(tǒng)中常用的

PI環(huán)節(jié)頻率特性與傳遞函數(shù)的關系實際上，系統(tǒng)和補償網(wǎng)絡性能常通過網(wǎng)絡的頻率特性來描述。數(shù)字控制系統(tǒng)中，補償電路采用數(shù)字網(wǎng)絡－－－數(shù)字濾波器實現(xiàn)。(a)(b)

(c)

有源阻容雙T網(wǎng)絡構成的帶通濾波器的頻率特性

數(shù)字控制系統(tǒng)性能的設計

的兩個方面的問題

系統(tǒng)性能的描述

－頻率特性

系統(tǒng)性能的改善

－數(shù)字補償網(wǎng)絡，數(shù)字濾波器

通過測試的方法

獲得系統(tǒng)的頻率特性電路系統(tǒng)和機電系統(tǒng)

頻率特性的測試方法

--系統(tǒng)外部參數(shù)的描述方法瞬態(tài)測試法沖擊響應測試分析穩(wěn)態(tài)測試法點頻，掃頻測試頻率特性測試

頻率特性測試的知識準備制作頻率特性測試儀需要準備的知識可分為下述兩類：一，理解網(wǎng)絡頻率特性的概念，理論，力求了解較多的頻率特性測試方法，各種方法的特點和它們適用的頻率范圍和適應對象。有關知識可參考電路分析和信號與系統(tǒng)類的書藉。二，從電子工程技術方面，需要了解頻率特性測試方法和頻率特性測試儀的有關知識，如頻率逐點步進測試和掃頻法測試的具體方法步驟，所需要的儀器設備，專用的頻率特性測試儀，如網(wǎng)絡分析儀和掃頻儀的功能，種類，特點，方案構成，主要性能指標等。用于不同頻率范圍的頻率特性測試儀，其實施方案往往大不相同。掃頻儀和網(wǎng)絡分析儀是專門用于網(wǎng)絡頻率特性分析的儀器，掃頻信號源和頻率合成信號源是其中的關鍵技術。頻率特性的概念及應用電路系統(tǒng)的性能描述時域頻域內部狀態(tài)的描述------電路定律性能的外部描述------信號與系統(tǒng)理論頻率特性的概念

頻率特性是以頻率為變量描述系統(tǒng)特性的一種圖示方法。頻率特性測試儀用于系統(tǒng)的頻率特性測試。頻率特性測試方法是一種獲得網(wǎng)絡頻率特性的實驗方法。我們知道，當網(wǎng)絡系統(tǒng)的電路結構和電路中的元件參數(shù)已知時，可以根據(jù)電路分析的方法，求得電路中各個狀態(tài)變量，獲得關于電路系統(tǒng)的完整信息。而在很多情況下，無法知道電路的詳細結構，或無法獲得電路中各個元件的準確參數(shù)，即所要分析的電路系統(tǒng)是屬于“黑箱”或“灰箱”問題。

對于單輸入單輸出的二端口網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以通過傳輸特性和反射特性來描述，對于低頻電路網(wǎng)絡，我們只關心電路系統(tǒng)的傳輸特性，它可以用傳遞函數(shù)H(s)來描述，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)可以通過輸入和零狀態(tài)響應輸出來求得，無需知道網(wǎng)絡內部結構和參數(shù)等信息。實際上，我們只需考察s沿軸變化時的H(jω)，這就是系統(tǒng)的頻率特性,它是H(s)的一種以頻率為變量的圖形描述方法，有著明顯的物理意義,是實際中應用最多的系統(tǒng)特性的表示形式。

由于采用這種描述時，無須知道網(wǎng)絡內部結構和參數(shù)等信息，只需知道系統(tǒng)的輸入與輸出，而系統(tǒng)的輸入輸出又是可以通過測量來得到的，因而頻率特性H(jω)有著重要的理論和實用價值，在工程實踐和科學實驗中都有著廣泛的應用。通過測量網(wǎng)絡的輸入和輸出經(jīng)計算得到網(wǎng)絡的H(jω)的方法，就是獲得頻率特性的實驗測試方法。頻率特性測試儀即為用于頻率特性測試的儀器。

頻率特性H(jω)又稱為頻率響應或簡稱為頻響函數(shù)，它是個復數(shù)，由幅值和相位兩部分構成，分別稱為幅頻特性和相頻特性.在很多情況下，只需要測量幅頻特性。對于高頻網(wǎng)絡，有時還要測試它的反射特性。

從頻段上分，有高頻，低頻的分析儀。聲和振動以及結構分析等，屬低頻。

自動控制系統(tǒng)的分析領域屬低頻?？捎玫皖l的頻率特性分析儀測試。亦有專門的用于系統(tǒng)特性分析的儀器。如很多電子儀器公司制造的動態(tài)分析儀。電路系統(tǒng)的頻率特性測試

------系統(tǒng)性能的外部描述方法

------一種測試測量的實驗方法頻率特性與其他描述的關系頻率特性的測試方法時域測量---動態(tài)測試法頻域測量---穩(wěn)態(tài)測試法外部模型頻率特性可以用儀器測試獲得

頻率特性的測試方法

--系統(tǒng)外部參數(shù)的描述方法瞬態(tài)測試法沖擊響應測試分析穩(wěn)態(tài)測試法點頻，掃頻測試頻率特性的概念及應用電路系統(tǒng)的性能描述時域頻域內部狀態(tài)的描述------電路定律性能的外部描述------信號與系統(tǒng)理論

對于單輸入單輸出的二端口網(wǎng)絡系統(tǒng)，可以通過傳輸特性和反射特性來描述，對于低頻電路網(wǎng)絡，我們只關心電路系統(tǒng)的傳輸特性，它可以用傳遞函數(shù)H(s)來描述，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)H(s)可以通過輸入和零狀態(tài)響應輸出來求得，無需知道網(wǎng)絡內部結構和參數(shù)等信息。實際上，我們只需考察s沿軸變化時的H(jω)，這就是系統(tǒng)的頻率特性,它是H(s)的一種以頻率為變量的圖形描述方法，有著明顯的物理意義,是實際中應用最多的系統(tǒng)特性的表示形式。

頻率特性H(jω)又稱為頻率響應或簡稱為頻響函數(shù)，它是個復數(shù)，由幅值和相位兩部分構成，分別稱為幅頻特性和相頻特性.在很多情況下，只需要測量幅頻特性。對于高頻網(wǎng)絡，有時還要測試它的反射特性。

從頻段上分，有高頻，低頻的分析儀。聲和振動以及結構分析等，屬低頻。

自動控制系統(tǒng)的分析領域屬低頻?？捎玫皖l的頻率特性分析儀測試。亦有專門的用于系統(tǒng)特性分析的儀器。如很多電子儀器公司制造的動態(tài)分析儀。歷屆競賽題之一DDS用于掃頻測量直接數(shù)字頻率合成技術

(DDS)東南大學無線電系束海泉Tel:83792479比賽中用到的波形發(fā)生器

波形是信息和能量的載體,它無處不在.

歷來的賽題中,絕大部分都直接和間接地與波形發(fā)生器有關.例如:1,要求制作一個信號源 如第二屆的”實用信號源的設計和制作”,第六屆 的”射頻振蕩器制作”,第五屆的“波形發(fā)生器”等2,賽題中,需要用到信號源 如數(shù)據(jù)采集,無線電接收,元件參數(shù)測試儀,頻率計,頻率特性測試儀等.

DDS技術是一種先進的波形產(chǎn)生技術,已經(jīng)在實際中獲得廣泛應用,在比賽中也應該優(yōu)先考慮采用.直接數(shù)字頻率合成技術

(DDS)東南大學無線電系束海泉Tel:83792479比賽中用到的波形發(fā)生器

波形是信息和能量的載體,它無處不在.

歷來的賽題中,絕大部分都直接和間接地與波形發(fā)生器有關.例如:1,要求制作一個信號源 如第二屆的”實用信號源的設計和制作”,第六屆 的”射頻振蕩器制作”,第五屆的“波形發(fā)生器”等2,賽題中,需要用到信號源 如數(shù)據(jù)采集,無線電接收,元件參數(shù)測試儀,頻率計,頻率特性測試儀等.

DDS技術是一種先進的波形產(chǎn)生技術,已經(jīng)在實際中獲得廣泛應用,在比賽中也應該優(yōu)先考慮采用.頻率綜合技術概述頻率可變的振蕩源通過改變R,L,C元件參數(shù)改變正弦振蕩的頻率通過改變充放電電流改變振蕩頻率改變R改變L改變C改變電流壓控振蕩器VCO用斜波掃描電壓(流)控制產(chǎn)生掃頻振蕩器用于頻率穩(wěn)定度和精度儀器不高的場合頻率合成技術間接合成法------鎖相環(huán)PLL直接模擬合成法(早期的直接合成法)------通過模擬電路實現(xiàn)多級的連續(xù)混頻

分頻,獲得很小的頻率步進,電路復雜,不易集成直接數(shù)字合成法------DDSVCO--用電壓(流)控制振蕩頻率改變R改變L改變C改變電流頻率綜合技術概述開環(huán)VCO的頻率穩(wěn)定度和頻率精度較低PLL使輸出頻率的穩(wěn)定度和精度,接近參考振蕩源(通常用晶振)PLL框圖如下:PLL的構成在反饋環(huán)路中插入頻率運算功能,即可改變PLL的輸出頻率.有三種頻率運算方式:

倍頻 分頻 混頻

分別進行頻率的×,÷,±

運算上述運算由模擬和數(shù)字電路混合實現(xiàn),由數(shù)字鑒相器,數(shù)字分頻器,壓控振蕩器和模擬環(huán)路濾波器組成.輸出頻率分別為參考頻率的N倍,1/N,±FLPLL

為了使輸出頻率有更高的分辨率,常用到多環(huán)頻率合成和小數(shù)分頻等技術.

隨著頻率分辨率的提高,PLL的鎖定時間也越長,頻率變化越慢.DDS1971年,由J.Tierney和C.M.Tader等人在“ADigitalFrequencySynthesizer”一文中首次提出了DDS的概念,DDS或DDFS是DirectDigitalFrequencySynthesis的簡稱通常將此視為第三代頻率合成技術.它突破了前兩種頻率合成法的原理,從”相位”的概念出發(fā)進行頻率合成.這種方法不僅可以產(chǎn)生不同頻率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位.還可以用DDS方法產(chǎn)生任意波形(AWG)DDS原理

工作過程為:1,將存于數(shù)表中的數(shù)字波形,經(jīng)數(shù)模轉換器D/A,形成模擬量波形.2,兩種方法可以改變輸出信號的頻率:(1),改變查表尋址的時鐘CLOCK的頻率,可以改變輸出波形的頻率.

(2),改變尋址的步長來改變輸出信號的頻率.DDS即采用此法.

步長即為對數(shù)字波形查表的相位增量.由累加器對相位增量進行累加,

累加器的值作為查表地址.3,D/A輸出的階梯形波形,經(jīng)低通(帶通)濾波,成為質量符合需要的模擬波形.

累加器的工作示意圖

設相位累加器的位寬為2N,Sin表的大小為2p,累加器的高P位用于尋址Sin表.時鐘Clock的頻率為fc,若累加器按步進為1地累加直至溢出一遍的頻率為若以M點為步長,產(chǎn)生的信號頻率為M稱為頻率控制字該DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個位相位寄存器組成，每來一個時鐘，相位寄存器以步長增加，相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應正弦波中0~360o范圍的一個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度的數(shù)字量信號，驅動DAC，輸出模擬量。相位寄存器每經(jīng)過2N/M個fc時鐘后回到初始狀態(tài)，相應地正弦查詢表經(jīng)過一個循環(huán)回到初始位置，整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出正弦波周期為

頻率為頻率控制字與輸出信號頻率和參考時鐘頻率之間的關系為：

其中N是相位累加器的字長。頻率控制字與輸出信號頻率成正比。由取樣定理，所產(chǎn)生的信號頻率不能超過時鐘頻率的一半，在實際運用中，為了保證信號的輸出質量，輸出頻率不要高于時鐘頻率的33%,以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內。在圖中，相位累加器輸出位并不全部加到查詢表，而要截斷。相位截斷減小了查詢表長度，但并不影響頻率分辨率，對最終輸出僅增加一個很小的相位噪聲。DAC分辨率一般比查詢表長度小2~4位。

通常用頻率增量來表示頻率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率為這個增量也就是最低的合成頻率。最高的合成頻率受奈奎斯特抽樣定理的限制，所以有與PLL不同,DDS的輸出頻率可以瞬時地改變,即可以實現(xiàn)跳頻，這是DDS的一個突出優(yōu)點，用于掃頻測量和數(shù)字通訊中，十分方便。

DDS

這種技術的實現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路的產(chǎn)生，目前，其工作速度主要受D/A變換器的限制。利用正弦信號的相位與時間呈線性關系的特性，通過查表的方式得到信號的瞬時幅值，從而實現(xiàn)頻率合成。

DDS具有超寬的相對寬帶，超高的捷變速率，超細的分辨率以及相位的連續(xù)性，可編程全數(shù)字化，以及可方便實現(xiàn)各種調制等優(yōu)越性能。但存在雜散大的缺點，限于數(shù)字電路的工作速度,DDS的頻率上限目前還只能達到數(shù)百兆,限制了在某些領域的應用。AD9830芯片特性+5V電壓供電50MHz頻率片內正弦查詢表片內10位數(shù)模轉換器并行數(shù)據(jù)接口掉電功能選擇250mW功耗48引腳薄方扁封裝（TQFP）DDS的信號質量分析取樣系統(tǒng)信號的頻譜鏡像頻率分量為－60dB，而其他各種雜散分量分布在很寬的頻帶上，其幅值遠小于鏡像頻率分量。D/A之后用的低通濾波器可用來濾去鏡像頻率分量，諧波分量和帶外雜散分量。第一個鏡像頻率分量最靠近信號頻率，且幅度最大，實際應用時，應盡量提高采樣時鐘頻率，使該分量遠離低通濾波器的帶寬,以減少低通濾波器的制作難度。DDS的信號質量分析

DDS信號源的性能指標：1,頻率穩(wěn)定度，等同于其時鈡信號的穩(wěn)定度。2,頻率的值的精度，決定于DDS的相位分辨率。即由DDS的相位累加器的字寬和ROM函數(shù)表決定。本題要求頻率按10Hz步進，頻率值的誤差應遠小于10Hz。DDS可達到很高的頻率分辨率。3,失真與雜波：可用輸出頻率的正弦波能量與其他各種頻率成分的比值來描述。失真與雜波的成分可分為以下幾個部分：⑴，采樣信號的鏡像頻率分量。DDS信號是由正弦波的離散采樣值的數(shù)字量經(jīng)D/A轉換為階梯形的模擬波形的，當時鐘頻率為，輸出正弦波的頻率為時，存在著以采樣頻率為折疊頻率的一系列鏡像頻率分量，這些鏡像頻率值為n±它們的幅度沿Sin(x)/x包絡滾降。其輸出信號的頻譜如圖6。19所示。⑵D/A的字寬決定了它的分辨率，它所決定的雜散噪聲分量，滿量程時，對信號的信噪比影響可表示為

S/D+N=6.02B+1.76dB其中B為D/A的字寬，對于10位的D/A，信噪比可達到60dB以上。增加D/A的位數(shù)，可以減少波形的幅值離散噪聲。另外，采用過采樣技術，即大幅度增加每個周期中的樣點數(shù)（提高時鐘頻率），也可以降低該類噪聲。過采樣方法使量化噪聲的能量分散到更寬的頻帶，因而提高了信號頻帶內的信噪比。⑶相位累加器截斷造成的雜波。這是由正弦波的ROM表樣點數(shù)有限而造成的。通過提高時鐘頻率或采用插值的方法增加每個周期中的點數(shù)（過采樣），可以減少這些雜波分量。⑷D/A轉換器的各種非線性誤差形成的雜散頻率分量，其中包括諧波頻率分量，它們在N頻率處。這些雜波分量的幅度較小。⑸，其他雜散分量，包括時鐘泄漏，時鐘相位噪聲的影響等。

D/A后面的低通濾波器可以濾去鏡像頻率分量和諧波分量，可以濾去帶外的高頻雜散分量，但是，無法濾去落在低通帶內的雜散分量。DDS的信號質量分析最高電壓雜散信號fspur出現(xiàn)在頻譜f=

fc-f0時，它限制著輸出頻率范圍的上限。最大雜散信號邊帶與信號功率之比為

滿量程時，對信號的信噪比影響可表示為DDS的信號質量分析最高電壓雜散信號fspur出現(xiàn)在頻譜f=

fc-f0時，它限制著輸出頻率范圍的上限。最大雜散信號邊帶與信號功率之比為

滿量程時，對信號的信噪比影響可表示為其中最主要的是相位截斷誤差帶來的噪聲三個噪聲,都是加性噪聲DDS的優(yōu)點與不足（1）輸出頻率相對帶寬較寬 輸出頻率帶寬為50%fs（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設計難度以及對輸出信號雜散的抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達到40%fs。（2）頻率轉換時間短

DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結構使得DDS的頻率轉換時間極短。事實上，在DDS的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉換。因此，頻率時間等于頻率控制字的傳輸，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉換時間越短。DDS的頻率轉換時間可達納秒數(shù)量級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。（3）頻率分辨率極高 若時鐘fs的頻率不變，DDS的頻率分辨率就是則相位累加器的位數(shù)N決定。只要增加相位累加器的位數(shù)N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)DDS的分辨率在1Hz數(shù)量級，許多小于1mHz甚至更小。（4）相位變化連續(xù) 改變DDS輸出頻率，實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號相位的連續(xù)性。（5）輸出波形的靈活性 只要在DDS內部加上相應控制如調頻控制FM、調相控制PM和調幅控制AM，即可以方便靈活地實現(xiàn)調頻、調相和調幅功能，產(chǎn)生FSK、PSK、ASK和MSK等信號。另外，只要在DDS的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當DDS的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時，既可得到正交的兩路輸出。

優(yōu)點（6）其他優(yōu)點

由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當靈活，因此性價比極高。DDS也有局限性，主要表現(xiàn)在：

（1）輸出頻帶范圍有限 由于DDS內部DAC和波形存儲器（ROM）的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻有限。目前市場上采用CMOS、TTL、ECL工藝制作的DDS工習片，工作頻率一般在幾十MHz至400MHz左右。采用GaAs工藝的DDS芯片工作頻率可達2GHz左右。（2）輸出雜散大 由于DDS采用全數(shù)字結構，不可避免地引入了雜散。其來源主要有三個：相位累加器相位舍位誤差造成的雜散；幅度量化誤差（由存儲器有限字長引起）造成的雜散和DAC非理想特性造成的雜散。目前DDS芯片的生產(chǎn)公司

m公司單片電路。Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368的時鐘頻率為130MHz，分辨率為0.03Hz，雜散控制為-76dBc，變頻時間為0.1μs;SciteqADS-431,1.6GHz,分辨率1Hz,雜散-45dB,可正交輸出

(模塊化產(chǎn)品)Stanford（該公司已更名）MicroLinear公司MicroLinear公司電壓事業(yè)部生產(chǎn)的幾種低頻

DDS產(chǎn)品ML2035

特性：（1）輸出頻率為直流到25kHz，在時鐘輸入為12.352MHz野外頻率分辨率可達到1.5Hz（-0.75～+0.75Hz），輸出正弦波信號的峰-峰值為Vcc；（2）高度集成化，無需或僅需極少的外接元件支持，自帶3～12MHz晶體振蕩電路；（3）兼容的3線SPI串行輸入口，帶雙緩沖，能方便地配合單片機使用；（4）增益誤差和總諧波失真很低。ML2035生成的頻率較低（0～25kHz），一般應用于一些需產(chǎn)生的頻率為工頻和音頻的場合。如用2片ML2035產(chǎn)生多頻互控信號，并與AMS3104（多頻接收芯片）或ML2031/2032（音頻檢波器）配合，制作通信系統(tǒng)中的收發(fā)電路等。ML2037是新一代低頻正弦波DDS單片電路，生成的最高頻可達500kHz。AD公司的產(chǎn)品型

號最大工作(MHz)工作電壓（V）最大功耗（mw)備

注AD9832253.3/5120小型封裝，串行輸入，內置D/A轉換器。AD9831253.3/5120低電壓，經(jīng)濟，內置D/A轉換器。AD9833252.5～5.52010個管腳的uSOIC封裝。AD9834502.5～5.52520個管腳的TSSOP封裝并內置比較器。AD9835505200經(jīng)濟，小型封裝，串行輸入，內置D/A轉換器。AD9830505300經(jīng)濟，并行輸入，內置D/A轉換器。AD98501253.3/5480內置比較器和D/A轉換器。AD98531653.3/51150可編程數(shù)字QPSK/16-QAM調制器。AD98511803/3.3/550內置比較器、D/A轉換器和時鐘6倍頻器。AD98523003.31200內置12位的D/A轉換器、高速比較器、線性調頻和可編程參考時鐘倍頻器。AD98543003.31200內置12位兩路正交D/A轉換器、高速比較器和可編程參考時鐘倍頻器。AD985810003.32000內置10位的D/A轉換器、150MHz相頻檢測器、充電汞和2GHz混頻器。AD公司的產(chǎn)品AD9859

400MSPS10-BitDAC1.8VCMOSDirectDigitalSynthesizerAD9951

400MSPS14-BitDAC1.8VCMOSDirectDigitalSynthesizerAD9952

400MSPS14-BitDAC1.8VCMOSDirectDigitalSynthesizerwithHighSpeedComparatorAD9953

400MSPS14-BitDAC1.8VCMOSDirectDigitalSynthesizerwith1024x32RAMAD9954

400MSPS14-BitDAC1.8VCMOSDirectDigitalSynthesizerwith1024x32RAM,LinearSweepBlock,AndHighSpeedComparator實現(xiàn)DDS的幾種技術方案1,采用高性能DDS單片電路的解決方案2,采用分立IC電路系統(tǒng)實現(xiàn),一般有CPU,RAM,ROM,D/A,CPLD,模擬濾波器等組成3,CPLD,FPGA實現(xiàn)濾波器的設計的討論采用低通還是帶通?要不要采用跟蹤濾波?低通頻率二進制分段濾波的方法。DDS實現(xiàn)任意波形時的濾波問題。插值在電路的復雜性和對性能指標的要求之間進行權衡根據(jù)輸出信號的特點，進行選擇寬帶，窄帶，掃頻，點頻對雜散信號的指標要求DDS參考設計

采用QuartusII是Altera近幾年來推出的新一代可編程邏輯器件

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采用FPGA設計成的DDS數(shù)控振蕩器NCO(輸出為數(shù)字波形,須外加D/A)Verilog設計的代碼文件和其他文件`include"romtab.v"`include"claadd8s.v"`include"loadfw.v"`include"loadpw.v"`include"sinlup.v"`include"phasea.v"`include"phasemod.v"`include"pngen.v"/*****************************************************************************************************************************************************************ProjectName:DDS****Author:DanielJ.Morelli**CreationDate:03/04/9621:51:00**VersionNumber:1.0****RevisionHistory:****DateInitialsModification******Description:****ThisisthetopleveloftheDirectDigitalSynthesizer***********************************************************************************/moduledds( RESETN, //globalreset PNCLK, //PNgeneratorclock SYSCLK, //systemclock FREQWORD, //inputfrequencywordfromexternalpins FWWRN, //lowassertedfrequencywordwritestrobe PHASEWORD, //inputphasewordfromexternalpins PWWRN, //lowassertedfrequencywordwritestrobe IDATA, //Iaxisdata QDATA, //Qaxisdata COS, //digitalcosoutput SIN, //digitalsinoutput MCOS, //modulateddigitalcosoutput MSIN, //modulateddigitalsinoutput DACCLK, //DACclocktosignalwhentoloadDDSsinvalue DACOUT); //DACoutputofsinwave//PorttypesinputSYSCLK,PNCLK,RESETN,FWWRN,PWWRN;input[31:0]FREQWORD;input[7:0]PHASEWORD;outputDACCLK,COS,SIN,MCOS,MSIN,IDATA,QDATA;output[7:0]DACOUT;wire[31:0] syncfreq; //synchronousfrequencywordwire[7:0] syncphswd; //synchronousphasewordwire[7:0] phase; //phaseoutputfromphaseaccumulatorwire[7:0] modphase; //modulatedphasevalueafterphasemodblock//designarchitecture assignDACCLK=SYSCLK;//---------------------------------------------------------------//thismoduleisnotpartoftheNCO//thismoduleisusedtogeneraterandomdata//tomodulatetheNCOoutput//---------------------------------------------------------------pngenU_pngen( RESETN, //globalreset PNCLK, //PNgeneratorclock IDATA, //Iaxisdata QDATA); //Qaxisdata//---------------------------------------------------------------loadfwU_loadfw( RESETN, //globalreset SYSCLK, //systemclock FREQWORD, //inputfrequencywordfromexternalpins FWWRN, //lowassertedfrequencywordwritestrobe syncfreq); //synchronousfrequencywordloadpwU_loadpw( RESETN, //globalreset SYSCLK, //systemclock PHASEWORD, //inputphasewordfromexternalpins PWWRN, //lowassertedfrequencywordwritestrobe syncphswd); //synchronousphasewordphaseaU_phasea( SYSCLK, //systemclockinput RESETN, //globalreset syncfreq, //synchronousfrequencyword COS, //digitalcosoutput SIN, //digitalsinoutput phase); //8bitquantizedphaseoutputphasemodU_phasemod( SYSCLK, //systemclockinput RESETN, //globalreset syncphswd, //synchronousphaseword phase, //8bitquantizedphasevalue MCOS, //modulateddigitalcosoutput MSIN, //modulateddigitalsinoutput modphase); //modulatedphaseoutputsinlupU_sinlup( SYSCLK, //systemclockinput RESETN, //globalreset modphase, //modulatedphaseoutput DACOUT); //DACoutputofsinwaveendmodule關于DDS集成電路芯片

高速實時信號生成

目前高速實時信號生成的熱點問題是直接數(shù)字信號生成（DDS），其基本結構可以分為相位累加型DDS和數(shù)據(jù)存儲型DDS。

(1)數(shù)據(jù)存儲型DDS

這種DDS芯片把要產(chǎn)生的信號波形存儲于數(shù)據(jù)存儲器，之后以一定的時鐘速率將數(shù)據(jù)讀出后送DAC芯片，經(jīng)低通濾波產(chǎn)生所需的信號波形。其最大的優(yōu)點是信號產(chǎn)生靈活，可以產(chǎn)生任意波形。問題是波形時間長度受存儲量限制。

(2)相位累加型DDS(如圖4)

這種DDS芯片采用相位累加器和正弦查找表的方法，可以通過數(shù)字控制生成正弦信號、線性調頻信號、相位編碼信號等多種信號形式，信號時間長度不受限制，因此是目前DDS芯片中的常用類型。其主要問題是只能產(chǎn)生某些特定類型的信號，不能產(chǎn)生任意要求的信號波形。

(3)DDS主要性能指標

描述DDS的主要性能指標包括：(a)時鐘頻率；(b)輸出頻率范圍：一般為時鐘頻率的40%；(c)頻率分辨率：取決于相位累加器位數(shù)、時鐘頻率；(d)輸出雜散：來源于相位截斷、幅度量化、DAC非線性；(e)輸出相位噪聲：來源于時鐘不穩(wěn)、相位截斷、幅度量化、DAC非線性等等。

(4)DDS主要優(yōu)缺點分析

DDS主要優(yōu)點包括：(a)頻率分辨率極高：取決于相位累加器位數(shù)、時鐘頻率；(b)輸出相對帶寬大：0～時鐘頻率的40%；(c)頻率轉換時間極短：可達ns量級；(d)頻率捷變的相位連續(xù)性；(e)任意波形輸出能力；(f)可實現(xiàn)數(shù)字調制性能。

DDS主要缺點是：

(a)工作頻帶限制：最高1GHz左右；(b)相位噪聲大、雜散抑制差：來源于時鐘不穩(wěn)、相位截斷、幅度量化、DAC非線性等等。

(5)DDS當前水平及應用

(a)DDS當前水平(如表2)：

(b)DDS應用：通信、雷達、GPS(全球定位系統(tǒng)))、蜂窩基站、圖像處理、HDTV等等。

-波形發(fā)生器

-阻抗測量

-傳感器激勵

-數(shù)字調制解調

-測試和測量設備

-時鐘恢復

-可編程時鐘發(fā)生器

-液體和氣體流量測量

-傳感應用

-醫(yī)用設備

-混合光纖同軸電纜（HFC）數(shù)據(jù)、電話和視頻調制

-雷達和掃描系統(tǒng)的線性調頻（FM）源

DDS作為一種先進的信號產(chǎn)生技術已經(jīng)廣泛應用于各個方面.

信號源儀器,測量分析儀器,通訊,數(shù)字信號處理,工業(yè)控制,軟件無線電等

-跳頻、本地振蕩（LO）頻率合成

-民用和業(yè)余愛好者用的射頻(RF)激勵信號源

-無線和衛(wèi)星通信

-蜂窩基站跳頻合成器

-寬帶通信

-VHF/UHF-LO頻率合成

-調諧電路

-軍用雷達

-汽車雷達

-SONET/SDH時鐘合成

-聲光器件驅動器

-PSK/FSK/斜坡FSK調制DDS+PLL獲得更高的頻率DDS+SS提高頻率上限的方法單邊帶相移法調制：盡管PLL合成環(huán)路能提供上變頻和可編程能力,但它存在兩個缺點:1,頻率分辨率低2,由于基準頻率倍頻造成的相位噪聲增加solution:AD9858帶有模擬混頻器的DDS.傳統(tǒng)的N分頻,N是整數(shù),精細的頻率分辨率要求N很大,環(huán)路帶寬很窄,導致頻率切換慢喝建立時間長.提高分辨率通過在反饋路徑中放置一個DDS,作為分頻器,形成小數(shù)分頻,DDS輸出的頻率范圍可從DC到1/2基準時鐘.共有==4,294,967,296個分頻系數(shù),對1GHz的基準時鐘,AD9858的頻率分辨率為0.23283Hz.相位噪聲傳統(tǒng)的PLL,基準頻率的相位噪聲在環(huán)路帶寬內按20的比例增加.,這對于N分頻的倍頻工作方式或對于上述的小數(shù)分頻方式,都存在這個問題.但是,有一種方法可以避免這種相位噪聲增加,那就是將基準頻率”轉換”為所需要的輸出頻率.如果在要求的載波頻率范圍內存在一個穩(wěn)定的基準頻率,可以用一個RF混頻器將輸出信號從載波頻率下變頻到所需要的范圍.AD9858含有一個吉爾伯特單元(GilbertCell)結構的RF混頻器以完成這種轉換.通過減去載波頻率,可以將輸出頻率鎖定到一個由DDS提供的基準頻率.由于輸出信號的動態(tài)部分和由DDS提供的基準頻率之間的比較是一個頻率增益為1的PLL環(huán)路中完成的,因而不會增加轉換環(huán)路輸出的相位噪聲.任意波形發(fā)生器AWG將所需波形存于RAM中精心設計濾波器現(xiàn)有的基于AD9852的AWG數(shù)字系統(tǒng)綜合

---數(shù)字濾波器設計方法---概述什么情況下采用數(shù)字系統(tǒng)設計從歷來的比賽題,看數(shù)字系統(tǒng)的應用優(yōu)勢數(shù)字系統(tǒng)設計的知識準備數(shù)字信號處理理論離散時間系統(tǒng)的分析綜合和實現(xiàn)模擬濾波器數(shù)字濾波器常用的構成電子系統(tǒng)的方法在PCB(印制電路板)上,由IC(集成電路)構成系統(tǒng)系統(tǒng)芯片SoC:(SystemOnChip)實現(xiàn)SoC的幾種途徑:ASIC(ApplicationSpecificIntegratedCircuti)PLDHDPLD可配置平臺技術

（ConfigurablePlatform）結構化ASIC在硅片上嵌入必要的功能模塊，對金屬布線進行個性化編程，即可完成整個設計。不需要像ASIC設計那樣定義芯片的所有掩模CPU作為硬核被嵌入FPGA,形成微處理器＋可編程邏輯的架構Xilinx公司：Virtex-ⅡPro:處理器核為PowerPC405Altera公司：Excalibur系列，處理器核為ARM922可配置系統(tǒng)級芯片CSoC(ConfigurableSystem-On-Chip)SOPC在可編程電路上實現(xiàn)系統(tǒng)功能進一步的將模擬電路，通訊功能，控制功能等集成與一體軟核在FPGA中，“寫入”一個處理器核，而不是“固化”一個處理器核，免除了硬核中不需要的功能，節(jié)省了資源Altera公司：Nios軟核Altera公司的CycloneⅡFPGA中，采用經(jīng)濟型內核NiosⅡ/e，占用600個邏輯單元。多個頻率可編程的PLL以MCU為核心的SoC

單片機內部集成的設備越來越多，包括SRAM、FLASHROM、E2ROM、AD、DA、PWM、UART控制器、I2C控制器、USB控制器、看門狗、上電復位電路、RC振蕩器、FPGA等，真正做到了SOC。引入模擬電路CypressMicroSystem公司：PSoC:CPU內核＋模擬電路可動態(tài)重構對CPU的性能進行按需配置

（指令級擴展結構）模擬可編程器件型號 Lattice公司ispPAC(insystemProgrammableAnalogCircuit)設計工具

－PAC-Designer數(shù)字系統(tǒng)設計的

有關問題數(shù)據(jù)采集數(shù)字信號的分析處理數(shù)字網(wǎng)絡設計數(shù)字系統(tǒng)的幾個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集FFT和DF數(shù)據(jù)采集1，傳感器匹配電路2，可編程抗混濾波器傳感器與放大器電路的耦合

－模電環(huán)節(jié)的有關問題匹配電壓匹配電流匹配電路與負載的功率匹配頻帶寬度匹配幅度動態(tài)范圍的匹配應用中的注意點溫度補償非線性補償動態(tài)范圍信號的最大和最小值噪聲電平系統(tǒng)校準與微機系統(tǒng)組成智能化測量和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術帶寬可編程的

低通模擬抗混濾波器LATTICE公司的模擬可編程器件

ispPAC系列器件CypressMicroSystem公司：PSoC:CPU內核＋模擬電路可動態(tài)重構

模擬可編程器件型號 Lattice公司ispPAC(insystemProgrammableAnalogCircuit)數(shù)字信號分析與處理數(shù)字信號處理的一般概念DSP

的兩個重要工具FFT數(shù)字濾波關于FFT上述DFT變換要進行N2

次乘法運算利用Sin函數(shù)的對稱性和周期性,可刪減大量的重復運算,N越大,運算的浪費越大減小樣本點數(shù)N的一個方法:------將大的樣本分解為小的樣本,例如,分解為兩個N/2大小的序列.乘法次數(shù)減少.[N2→2*(N/2)2]利用Fourier積分變換的線性性質,將小樣本分別變換的結果,合成為N個點的變換.由大分解為小的方法之一:------隔點抽取法關于FFT

由小序列的變換合成為大序列的變換依據(jù)的原理線性積分變換的三個性質:1,兩個序列之和的變換,等于兩者分別變換之和(線性疊加性)2,序列時移,對應于變換域的相移(時移→相移)3,序列樣點的間隔變換對應于變換域的頻率變換(尺度變換)利用這三個性質,將N點序列分解為兩個N/2長度的序列,分別變換.對變換結果進行合成,合成時,要補償相位的偏移量.關于濾波器電路系統(tǒng)中儲能元件L,C的存在,它們與電路中的R一起,產(chǎn)生信號傳輸?shù)难舆t延遲的效果,對于不同的頻率信號,作用不一樣,產(chǎn)生了濾波作用.---產(chǎn)生濾波過程的實質,是電路中存在延遲---低頻的濾波對應于大的延時其他的延遲信號的方法開關電容---開關電容濾波器數(shù)字存儲延遲---數(shù)字濾波器開關電容濾波器用小電容,即可實現(xiàn)大值電阻,便于集成改變f,即可改變電阻R,通過改變RC時間常數(shù)(延時),改變?yōu)V波器特性,實現(xiàn)程控開關電容濾波器,是時間離散,幅度為模擬量的系統(tǒng).數(shù)字濾波器采用逐級數(shù)字存儲的方法,來控制延遲時間,可以實現(xiàn)任意長時間的延時,因而實現(xiàn)任意低頻的濾波對延時序列中的各個樣點值,加權求和輸出,即完成了濾波(FIR)離散時間系統(tǒng):差分方程傳遞函數(shù)關于Z變換Z變換為一個級數(shù)和,級數(shù)的第n項,即為序列中的第n點乘其含義即為該點延時為n,它對相應的頻域分量的影響為相位延遲.物理意義:序列的濾波:數(shù)字濾波器

用Z變換來描述其網(wǎng)絡濾波特性二階濾波器高階分解為一階和二階的節(jié)聯(lián)組合全極點二階,代表一個諧振型的濾波器.它描述的極點位置如下圖濾波過程的直觀理解

(FIR濾波器)二階節(jié)數(shù)字濾波器的極點位置單位園R=1具有三個極點（諧振頻率點）Z-1一個二階諧振型濾波器的幅頻特性三個參差調諧二階諧振型濾波器級聯(lián)后的幅頻特性三個二階級聯(lián),滿足帶寬要求,和邊帶衰減速度以上設計過程,注重了介紹數(shù)字濾波器的物理概念,可以滿足幅頻特性的要求.對濾波器的相頻特性有要求的濾波器設計,應采用逼近函數(shù)的設計方法根據(jù)模擬濾波器來設計IIR濾波器根據(jù)模擬濾波器來設計數(shù)字濾波器，就是從已知的模擬濾波器傳遞函數(shù)Ha(s)設計數(shù)字濾波器傳遞函數(shù)H(z)。因此，它歸根到底是一個由s平面到z平面的變換，必須滿足兩條基本要求：H(z)的頻響要能模擬Ha(s)的頻響，即s平面的虛軸必須映射到z平面的單位圓ej上。因果穩(wěn)定的Ha(s)應能映射成因果穩(wěn)定的H(z)。也就是s平面的左半平面Re[s]<0應該映射到z平面的單位圓以內|z|<1。不同的變換是通過保留模擬或數(shù)字濾波器的不同方面的特性得到的。如果我們想保留沖擊響應的形狀，我們得到脈沖響應不變法變換；如果我們想把一個差分等式的表達轉換成相應的差分方程，我們得到有限差分逼近技術。而另一種叫做“階躍不變”的技術保留了單位階躍響應的形狀。此外，應用最為廣泛的是“雙線性變換法”，其保留了模擬域裝換到數(shù)字域過程中的的系統(tǒng)函數(shù)。總結而言，模擬濾波器到數(shù)字濾波器的映射問題主要有兩種映射方法：脈沖響應不變法和雙線性變換法，對這兩種方法簡要介紹如下：脈沖響應不變法這種設計方法的思想是使數(shù)字濾波器的沖擊響應與頻率選擇性的模擬濾波器相似。因此我們以采樣間隔Ｔ來采樣模擬濾波器沖擊響應ha(t)來獲得數(shù)字濾波器的沖擊響應：

h(n)=ha(nT)其中模擬與數(shù)字頻率的關系如下＝T。由于z=在單位圓上，而ｓ＝ｊ在虛軸上，我們有如下ｓ平面到ｚ平面的變換公式：

z=esT(1)系統(tǒng)函數(shù)H(z)與Ha(s)之間有如下的頻域混疊公式相對應：

這是多對一的映射。由于整個S平面的左半邊映射到單位圓，因此一個因果穩(wěn)定的濾波器映射到另一個因果穩(wěn)定的濾波器?？倳谢殳B現(xiàn)象發(fā)生。

多對一的映射z=esTIm(z)Re(z)單位圓多對一的映射

z=esTIm(z)Re(z)單位圓雙線性變換法這種映射其變換關系如下：

(3)在頻域不會有混疊現(xiàn)象發(fā)生。其數(shù)字與模擬頻率之間的映射關系如下：由此可見模擬頻率與數(shù)字頻率之間是非線性的映射，在低頻階段，線性性質還比較好，但高頻段非線性比較嚴重。

一對一的映射z=esTIm(z)Re(z)單位圓

一對一的映射

z=esTIm(z)Re(z)單位圓利用MAT