第四章典型应用技术

《第四章典型应用技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第4章典型应用技术第4章典型应用技术在设计系统时，有许多常用的典型技术，像频率合成技术、测频、测相技术等，这类技术不同于常用的模拟电路，通常是利用数字方法实现的，因此可以通过单片机或FPGA等系统核心来控制，且精度较高。这类技术在一些仪器类系统设计中是系统构成的关键，在测量类系统中也可以通过将需要测量的物理量转换为这些典型量来提高测量的精度，因此，熟识这些技术是非常重要的，本章对电子设计中最为典型的几种应用技术作一简单介绍，具体实现还需要实践的探索。4.1频率合成与DDS电子设计实验中常常需要用到的激励源信号通常都由信号发生器提供，但在某些情况

2、下，实验要求的信号为低频或扫频信号，或对特定信号的稳定性有很高的要求，此时就需要在系统中自行设计功能模块实现既定信号的输出。4.1.1信号产生方案与原理常用激励源信号为正弦信号，也可先产生正弦信号，通过对正弦信号处理得到方波或三角波信号。正弦信号的产生有以下几种方案：(1).单片函数发生器。利用单片函数发生器配合外部分立元件输出频率，通过调整外部元件可改变输出频率，但外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力低，通常不使用此方案。(2).数字锁相环(PLL)频率合成技术，基本原理框图如图4-1所示。图4-1锁相环

3、频率合成器原理框图通过改变程序分频器的分频比可改变压控振荡器的输出频率，从而获得大量可供利用的频率稳定度等同于参考频率的频率点。基于锁相环的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需频率信号，抑制杂散分量，锁相式频率合成得到所需频率的方波以后，经过截止频率动态可控的低通滤波器就可以得到正弦波。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间长，故频率转换时间长，同时频率受VCO可变频率范围的影响，频带不能做的很宽。(3).直接数字频率合成技术(DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDFS第160页第4章典型应用技术或DDS)。DDS

4、以Nyquist时域采样定理为基础，在时域中进行频率合成，基本原理框图如图4-2所示。图4-2DDS原理框图DDS的基本工作原理是：每个参考频率上升沿到来时，相位累加器的值便按照频率控制字K的长度增加一次，所得的相位值被输出至正弦查找表，查找表将相位信息转化为相应的正弦幅度值，再经过数模转换器得到相应的阶梯波，最后经过低通滤波器对阶梯波进行平滑，得到连续变化的模拟输出波形。在系统时钟频率()和相位累加器位数一定的情况下，输出波形频率由频率控制字K决定。DDS基于相位累加合成技术，在数字域中实现频率合成，可以输出高精度与高纯度的频率信号，信号相位

5、、频率和幅度都可以实现程控，通过更换波形数据可以很方便的实现波形切换。理论上只要累加器的位数足够多，就可以实现任意小的频率步进。频率分辨率很高，离散输出已十分接近连续变化。对相位累加器预置累加初值可以很方便地实现精密相位调节。DDS技术最明显的不足是ROM容量限制带来相位截断噪声。DDS与锁相环方案的优点均为覆盖频率范围大，精度高，控制性好且容易实现，但相比而言，锁相环需经过高频滤波才能得到所需的正弦信号，滤波模块没做好会影响信号发生器的性能；而DDS无需相位反馈控制，频率建立及频率切换快，并且与频率分辨率、频谱纯度相互独立，容易输出扫频信号，

6、故通常情况下多采用DDS方案。4.1.1DDS理论设计DDS主要由参考频率源、相位累加器、正弦波采样点存储RAM、数模转换器及低通滤波器构成。其中的相位累加器、正弦波采样点存储RAM和可预置分频电路等数字处理部分通常通过硬件描述语言VerilogHDL在CPLD或FPGA内设置逻辑电路来实现。通过DDS技术实现频率合成前需要确定DDS的主要性能参数：第160页第4章典型应用技术设参考频率源频率为，采用计数容量为的相位累加器(为相位累加器的位数)，频率控制字为，则DDS系统输出信号的频率为，频率分辨率为。若选取晶振频率为40MHz，频率控制字为2

7、4位，相位累加器的位数为31位，此时的DDS模块逻辑框图如图4-3所示，这样的理论输出频率范围为0.02Hz～312KHz，步进为。图4-3DDS实现框图4.1.1DDS实现单片机送24位的频率控制字到FPGA中，与上一个31位的地址送入相位累加器累加，得到新的相位地址，送入地址寄存器中寄存。时钟脉冲触发时到波形存储器中取波形数据，最后送入DAC中进行D/A转换，低通滤波后就能得到所需的对应于所设定的频率控制字的一定频率的正弦波形。信号发生器的低通滤波部分用于滤除波形中由D/A产生的高频分量，通常采用二阶巴特沃兹有源滤波器，根据实际情况设计低通

8、滤波器的截止频率，有源滤波器的具体实现在运算放大器的使用中已经作过介绍，在此不再累述。如果存储器中存储的不是正弦波表，而是方波或三角波等其他周期波的波