多功能波形發(fā)生器

1、目錄1設(shè)計(jì)選題及任務(wù)22相關(guān)背景以及現(xiàn)狀的介紹22.1研究背景22.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀33系統(tǒng)概述及硬件簡(jiǎn)介34.相關(guān)原理的概述34.1 DAC單元34.2 LCD單元54.3 DDS單元64.3.1 DDS原理分析64.3.2 DDS基本結(jié)構(gòu)64.3.3 DDS原理84.3.4 DDS技術(shù)特點(diǎn)125.波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)145.1 軟件設(shè)計(jì)的原理145.2 Matlab產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)156.波形的生成結(jié)果161設(shè)計(jì)選題及任務(wù)設(shè)計(jì)題目：多功能波形發(fā)生器 任務(wù)與要求：設(shè)計(jì)一個(gè)由Tiva c lanuchpad控制的波形發(fā)生器。運(yùn)用其控制產(chǎn)生多種波形，這些波形包括方波、三角波、鋸齒波、正弦波。然后在LC

2、D上顯示波形的菜單，通過(guò)菜單能夠選擇不同的波形?；疽螅?.產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波、正弦波2.在LCD上顯示波形的菜單 3.通過(guò)菜單來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的選擇。2相關(guān)背景以及現(xiàn)狀的介紹2.1研究背景任意波形發(fā)生器是一種能產(chǎn)生任意波形的信號(hào)源，它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種信號(hào)發(fā)生器。區(qū)別于早先的函數(shù)波形發(fā)生器，任意波形發(fā)生器使用到了微處理器及數(shù)模轉(zhuǎn)換器等數(shù)字器件。它不僅能完成函數(shù)波形發(fā)生器的功能產(chǎn)生正弦、三角、鋸齒等基本波形，還提供了方便的波形設(shè)置方法以便產(chǎn)生用戶所需要的任意波形。隨著科技研究的不斷深入和領(lǐng)域擴(kuò)展，要求用電信號(hào)模擬的信號(hào)更加復(fù)雜、多樣。例如，通信的每一步發(fā)展，都要求不同的測(cè)試信號(hào)；而生物

3、學(xué)上的研究，也常常需要使用神經(jīng)信號(hào)和腦波信號(hào)等各種特別的電信號(hào)；材料科學(xué)、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域，都要求用任意波形發(fā)生器產(chǎn)生復(fù)雜的信號(hào)。另外，現(xiàn)代科技要求信號(hào)更加準(zhǔn)確、逼真，而不僅僅滿足于大體合適。因此，在不少測(cè)試方案和自動(dòng)化系統(tǒng)的組成中，在信號(hào)源部分已明確指定為任意波形發(fā)生器。在電類和非電類的應(yīng)用中，對(duì)這類儀器的需要都日益迫切。任意波形發(fā)生器目前主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一種是傳統(tǒng)的任意波形發(fā)生器,但是由于采用的是模擬和模數(shù)混合的方法,限制了其頻率穩(wěn)定度,并且系統(tǒng)比較復(fù)雜。另一種是基于直接數(shù)字頻率合成(DDS) 技術(shù)的任意波形發(fā)生器,采用這種技術(shù)的AWG 具有很高的頻率分辨率和快速的輸出頻率轉(zhuǎn)換能力,

4、并且輸出頻率范圍寬。2.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的任意波形發(fā)生器主要有普源RIGOL、優(yōu)利德。從功能上看，普源的任意波形發(fā)生器比較完善，但價(jià)格偏高。其他廠家的任意波形發(fā)生器雖然也可以產(chǎn)生任意波形，但波形來(lái)源往往是較簡(jiǎn)單的波形合成，并不是真正意義上的“任意”波形。如今，雖然國(guó)內(nèi)外的任意波形發(fā)生器研究上已經(jīng)趨于完善，但實(shí)際運(yùn)用上還存在不盡人意的地方。例如：有的可視化界面僅能顯示文字?jǐn)?shù)據(jù)，不能直接顯示輸出波形；有的任意波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生只能連接上位機(jī)獲取；任意波形編輯功能不夠全面，僅能滿足特定的場(chǎng)合。即使有較完善功能的任意波形發(fā)生器，但其高昂的價(jià)格卻讓人望而止步。當(dāng)然，在高校中對(duì)于各種任意波形發(fā)生

5、器的研制也有不少，例如東莞理工學(xué)院的可視化多功能DDS任意信號(hào)源，但其可視化也是建立在用Delphi來(lái)開(kāi)發(fā)圖形上位機(jī)軟件的基礎(chǔ)上的。 3系統(tǒng)概述及硬件簡(jiǎn)介隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代科研的需要，信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)成為了很多行業(yè)進(jìn)行研究測(cè)試不可或缺的工具，但目前使用波形發(fā)生器大部分體積大，可靠性差，準(zhǔn)確度低。因此為了實(shí)驗(yàn)研究方便，研制一種體積小、可靠性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高的波形發(fā)生器顯得尤為重要。顯示模塊LCD UC1705方案總體設(shè)計(jì)框圖 Tiva c lanuchpad電源模塊波形輸出模塊DAC7512按鍵模塊 圖3.1.14.相關(guān)原理的概述4.1 DAC單元DAC(Digital to Analog Conv

6、enter)數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以把處理器運(yùn)算處理后輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，完成對(duì)數(shù)字信號(hào)的復(fù)原工作。DA 轉(zhuǎn)換，即把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是把數(shù)字信號(hào)按照一定的參考電壓轉(zhuǎn)換成電壓值輸出。例如，12 位分辨率時(shí)，數(shù)據(jù) 0XFFF 值對(duì)應(yīng)滿程參考電壓，那么 0x7FF 就會(huì)輸出半程參考電壓。TM4C123G的 DAC7512 模塊的控制位較多，可以滿足多種輸出需求 TM4C123G沒(méi)有自帶的DAC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），DY-Tiva-PB板上擴(kuò)展了一片DAC，并可用于任意波形發(fā)生器（AWG）。采用TI的12位DAC器件DAC7512，實(shí)現(xiàn)DAC及任意波形的產(chǎn)生。產(chǎn)生的信號(hào)可以在AWG端

7、子上通過(guò)示波器觀看，還可以通過(guò)PE2的ADC讀入CPU，經(jīng)過(guò)處理后顯示在LCD上。DAC7512是一種低功耗、單電源、12位緩沖電壓輸出的數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。其內(nèi)置的精密輸出放大器允許軌到軌輸出，接口為通用的三線串行SPI，兼容QSPI和DSP接口，時(shí)鐘速率達(dá)30MHz。DAC7512集成了上電復(fù)位電路，確保DAC的輸出0V時(shí)還能保持?jǐn)?shù)據(jù)，直到下一個(gè)有效的數(shù)據(jù)下進(jìn)來(lái)。DAC7512的主要特點(diǎn)：(1)微功耗,5V時(shí)工作電流消耗為135uA（DAC7512）；(2)在掉電模式時(shí)，如果采用5V電源供電，其電流消耗為135nA，而采用 3V供電時(shí)，其電流消耗僅為50nA； (3)供電電壓范圍為

8、+2.7V+5.5V； (4)上電輸出復(fù)位后輸出為0V；(5)具有三種關(guān)斷工作模式可供選擇,5V電壓下功耗僅為0.7mW；(6)帶有低功耗施密特輸入串行接口； (7)內(nèi)置滿幅輸出緩沖放大器； (8)具有SYNC中斷保護(hù)機(jī)制。DAC單元的原理圖如圖4.1.1所示。4.1.1單元原理圖其中，VOUT模擬電壓輸出GND接地VDD電源DIN串行數(shù)據(jù)輸入SCLK串行時(shí)鐘輸入SYNC電平觸發(fā)輸入4.2 LCD單元TM4C123G芯片沒(méi)有專用的LCD接口，但是芯片的速度較快，自身功能比較強(qiáng)大，所以先擇一個(gè)點(diǎn)陣的LCD是最好的，可以顯示任意的文字和圖形。同時(shí)由于TM4C123G LP上的I/O資源很有限，并口

9、的LCD會(huì)占用很多I/O資源，所以選擇一個(gè)串口的LCD是最合適的。DY-Tiva-PB口袋板上選擇了一個(gè)128x64點(diǎn)陣的串行接口LCD。背光通過(guò)PA5來(lái)控制。LCD顯示單元PCB板上的位置如圖4.2.2所示。圖4.2.2 LCD顯示單元的原理圖12864 點(diǎn)陣液晶顯示模塊（LCM）就是由128*64 個(gè)液晶顯示點(diǎn)組成的一個(gè)128 列*64 行的陣列。每個(gè)顯示點(diǎn)對(duì)應(yīng)一位二進(jìn)制數(shù)，1 表示亮，0 表示滅。存儲(chǔ)這些點(diǎn)陣信息的RAM 稱為顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。要顯示某個(gè)圖形或漢字就是將相應(yīng)的點(diǎn)陣信息寫(xiě)入到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。圖形或漢字的點(diǎn)陣信息由自己設(shè)計(jì)，問(wèn)題的關(guān)鍵就是顯示點(diǎn)在液晶屏上的位置（行和列）與其在

10、存儲(chǔ)器中的地址之間的關(guān)系。每屏有一個(gè)512*8 bits 顯示數(shù)據(jù)RAM。左右半屏驅(qū)動(dòng)電路及存儲(chǔ)器分別由片選信號(hào)CS1 和CS2 選擇。顯示點(diǎn)在128*64 液晶屏上的位置由行號(hào)（line,063）與列號(hào)（column,063）確定。512*8 bits RAM 中某個(gè)存儲(chǔ)單元的地址由頁(yè)地址（Xpage,07）和列地址（Yaddress,063）確定。每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)8 個(gè)液晶點(diǎn)的顯示信息。為了使液晶點(diǎn)位置信息與存儲(chǔ)地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系更直觀關(guān)，將128*64 液晶屏從上至下8 等分為8個(gè)顯示塊，每塊包括8 行*64 列個(gè)點(diǎn)陣。每列中的8 行點(diǎn)陣信息構(gòu)成一個(gè)8bits 二進(jìn)制數(shù)，存儲(chǔ)在一個(gè)存儲(chǔ)單元中

11、。（注意：二進(jìn)制的高低有效位順序與行號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系因不同商家而不同）存放一個(gè)顯示塊的RAM 區(qū)稱為存儲(chǔ)頁(yè)。即128*64 液晶屏的點(diǎn)陣信息存儲(chǔ)在8 個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)中，每頁(yè)64 個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)一列(8 行)點(diǎn)陣信息。因此存儲(chǔ)單元地址包括頁(yè)地址（Xpage,07）和列地址（Yaddress,063）。例如點(diǎn)亮128*64 的屏中（20，30）位置上的液晶點(diǎn)，因列地址30 小于64，該點(diǎn)在左半屏第29 列，所以CS1 有效；行地址20 除以8 取整得2，取余得4，該點(diǎn)在RAM 中頁(yè)地址為2，在字節(jié)中的序號(hào)為4；所以將二進(jìn)制數(shù)據(jù)00010000（也可能是00001000，高低順序取決于制造商）寫(xiě)入Xpag

12、e=2，Yaddress=29 的存儲(chǔ)單元中即點(diǎn)亮（20，30）上的液晶點(diǎn)。字模雖然也是一組數(shù)字，但它的意義卻與數(shù)字的意義有了根本的變化，它是用數(shù)字的各位信息來(lái)記載英文或漢字的形狀，如英文的'A'在字模的記載方式如圖所示：4.2.3“A”字模圖在數(shù)字電路中，所有的數(shù)據(jù)都是以0 和1 保存的，對(duì)LCD 控制器進(jìn)行不同的數(shù)據(jù)操作，可以得到不同的結(jié)果。對(duì)于顯示英文操作，由于英文字母種類很少，只需要8 位（一字節(jié)）即可。而對(duì)于中文，常用卻有6000 以上，于是我們的DOS 前輩想了一個(gè)辦法，就是將ASCII 表的高128 個(gè)很少用到的數(shù)值以兩個(gè)為一組來(lái)表示漢字，即漢字的內(nèi)碼。而剩下的低

13、128 位則留給英文字符使用，即英文的內(nèi)碼。4.3 DDS單元4.3.1 DDS原理分析1973年，J.Tiemey和C.M.Tader等人在A Digital Frequency Synthesizer一文中首次提出了DDS的概念，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，DDS并沒(méi)有引起人們的足夠重視。上世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，DDS技術(shù)的優(yōu)越性才日益體現(xiàn)出來(lái)。4.3.2 DDS基本結(jié)構(gòu)DDS與大多數(shù)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)一樣，它的基礎(chǔ)仍然是奈圭斯特采樣定理。奈圭斯特采樣定理是任何模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理的基礎(chǔ)，它描述的是一個(gè)帶限的模擬信號(hào)經(jīng)抽樣變成離散值后可不可以由這些離散值恢復(fù)原始

14、模擬信號(hào)的問(wèn)題。奈圭斯特采樣定理告訴我們，當(dāng)抽樣頻率大于或者等于模擬信號(hào)最高頻率的兩倍時(shí)，可以由抽樣得到的離散信號(hào)無(wú)失真地恢復(fù)出原始模擬信號(hào)。只不過(guò)在DDS技術(shù)中，這個(gè)過(guò)程被顛倒過(guò)來(lái)了。DDS不是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，而是一個(gè)假定抽樣過(guò)程已經(jīng)發(fā)生且抽樣值已經(jīng)量化完成，如何通過(guò)某種方法把已經(jīng)量化的數(shù)值重建原始信號(hào)的問(wèn)題。DDS電路一般由參考時(shí)鐘、相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器（LPF）組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖4.3.1所示。圖4.3.1 DDS基本結(jié)構(gòu)框圖其中，為參考時(shí)鐘頻率，為頻率控制字，為相位累加器位數(shù)，為波形存儲(chǔ)器位數(shù)，為波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)位字長(zhǎng)和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。DD

15、S系統(tǒng)中的參考時(shí)鐘通常由一個(gè)高穩(wěn)定度的晶體振蕩器來(lái)產(chǎn)生，用來(lái)作為整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的同步時(shí)鐘。頻率控制字（Frequency Control Word，F(xiàn)CW）實(shí)際上是二進(jìn)制編碼的相位增量值，它作為相位累加器的輸入累加值。相位累加器由加法器和寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，它將寄存器的輸出反饋到加法器的輸入端實(shí)現(xiàn)累加的功能。在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖，相位累加器把頻率字累加一次，累加器的輸出相應(yīng)增加一個(gè)步長(zhǎng)的相位增量，由此可以看出，相位累加器的輸出數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上是以為步長(zhǎng)的線性遞增序列（在相位累加器產(chǎn)生溢出以前），它反映了合成信號(hào)的相位信息。相位累加器的輸出與波形存儲(chǔ)器的地址線相連，相當(dāng)于對(duì)波形存儲(chǔ)器進(jìn)行查表，這樣就可以

16、把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器中的信號(hào)抽樣值（二進(jìn)制編碼值）查出。在系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖的作用下，相位累加器不停的累加，即不停的查表。波形存儲(chǔ)器的輸出數(shù)據(jù)送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅度值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào)，從而將波形重新合成出來(lái)。若波形存儲(chǔ)器中存放的是正弦波幅度量化數(shù)據(jù)，那么D/A轉(zhuǎn)換器的輸出是近似正弦波的階梯波，還需要后級(jí)的低通平滑濾波器進(jìn)一步抑制不必要的雜波就可以得到頻譜比較純凈的正弦波信號(hào)。圖43.2所示為DDS各個(gè)部分的輸出信號(hào)。由于受到字長(zhǎng)的限制，相位累加器累加到一定值后，就會(huì)產(chǎn)生一次累加溢出，這樣波形存儲(chǔ)器的地址就會(huì)循環(huán)一次，輸出波形循環(huán)一周。相位累加器的溢出頻

17、率即為合成信號(hào)的頻率。可見(jiàn)，頻率控制字K越大，相位累加器產(chǎn)生溢出的速度越快，輸出頻率也就越高。故改變頻率字（即相位增量），就可以改變相位累加器的溢出時(shí)間，在參考頻率不變的條件下就可以改變輸出信號(hào)的頻率。圖4.3.2 DDS各部分輸出波形4.3.3 DDS原理根據(jù)傅立葉變換定理，任何滿足Dirichlet條件的周期信號(hào)都可以分解為一系列正弦或者余弦信號(hào)之和。為了不失一般性，下面以正弦信號(hào)的產(chǎn)生為例來(lái)說(shuō)明DDS的基本原理。我們知道，正、余弦信號(hào)用可以用復(fù)數(shù)形式表示為： 式(4-1) 式(4-2)圖4.3.3 信號(hào)的復(fù)數(shù)表示形式圖4.3.3描述了矢量繞原點(diǎn)沿正方向（逆時(shí)針）旋轉(zhuǎn)時(shí)，其模值與軸夾角（相

18、位角）及在軸上的投影三者之間的關(guān)系。當(dāng)連續(xù)地繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，將取之間的任意值，將以為模取之間的任意值。如果將看作我們欲重構(gòu)正弦信號(hào)的幅度值，則相位角和的關(guān)系為：。現(xiàn)將相位數(shù)字化（采樣、量化），將量化成等份，則相位量化的最小間隔為，這樣造成的結(jié)果是重構(gòu)信號(hào)的幅度值也相應(yīng)離散化： 式(4-3)由式(4.2)可以看出，只能取與相位對(duì)應(yīng)的幅度值。圖4.3.4 相位數(shù)字化示圖如圖4.3.4所示，設(shè)此時(shí)不是繞原點(diǎn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而是在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下以相位增量進(jìn)行階躍式旋轉(zhuǎn)，很容易可以看出來(lái)，在相位周期變化的同時(shí)，輸出信號(hào)的幅度也在周期重復(fù)著，因此，重構(gòu)信號(hào)的周期在幅度中也就體現(xiàn)出來(lái)了。為了進(jìn)一步探討相位增量對(duì)輸出

19、信號(hào)頻率的影響，我們分別以相位增量為和重構(gòu)信號(hào)幅度，分別如圖4.3.5和4.3.6所示。在此，我們假設(shè)相位累加是在相同的系統(tǒng)時(shí)鐘的進(jìn)行的，即對(duì)于不同的相位增量，是固定不變的，這是理解相位增量和重構(gòu)信號(hào)頻率關(guān)系的基礎(chǔ)。圖4.3.5 相位增量為時(shí)相位幅度的映射關(guān)系圖4.3.6 相位增量為時(shí)相位幅度的映射關(guān)系 對(duì)比圖4.3.5和圖4.3.6，我們很容易發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相位增量減少為原來(lái)的二分之一時(shí)，輸出信號(hào)的采樣值密集度就成了原來(lái)的兩倍，那么旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間自然也增大為原來(lái)的兩倍，即。周期與頻率成倒數(shù)關(guān)系，由此可得兩種情況下輸出重構(gòu)信號(hào)的頻率關(guān)系：，如圖4.3.7所示。圖4.3.7 相位增量不同對(duì)重構(gòu)信號(hào)頻率

20、的影響（仿真）分析到這里，我們可以得出結(jié)論，在DDS系統(tǒng)中，在參考時(shí)鐘固定不變的前提下，通過(guò)改變相位增量的值，就可以得到不同頻率的重構(gòu)信號(hào)。那么相位增量跟我們的頻率控制字之間有什么聯(lián)系呢，頻率控制字又是通過(guò)怎樣的方式來(lái)控制輸出信號(hào)的頻率的呢？我們假設(shè)有一個(gè)頻率為的正弦信號(hào)： 式(4-4)現(xiàn)以采樣頻率對(duì)該信號(hào)進(jìn)行抽樣，得到離散序列為： 式(4-5)其中為采樣周期。習(xí)慣上將式(4-5)寫(xiě)成式(4-6)的形式： 式(4-6)式(4-6)對(duì)應(yīng)的相位序列為： 式(4-7)該序列的顯著特性是線性，即相鄰樣值之間的相位增量是一常數(shù)，且僅與信號(hào)頻率有關(guān)，當(dāng)式(4-7)中的取1時(shí)得到量化相位增量為： 式(4-8

21、)倘若我們將相位均勻量化等份，人為構(gòu)造一個(gè)相位值： 式(4-9)并且使得，那么就可以得到如下關(guān)系： 式(4-10)根據(jù)以上原理，如果我們用變量構(gòu)造一個(gè)量化序列： 式(4-11)然后完成到另一個(gè)序列的映射，即由構(gòu)造序列： 式(4-12)將式(4-10)代入式(4-12)可得： 式(4-13)對(duì)比式(4-6)跟式(4-13)，我們不難發(fā)現(xiàn)，其實(shí)就是信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣頻率抽樣后的離散時(shí)間序列。在滿足奈圭斯特采樣定律的的條件下，即： 式(4-14)可以經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和低通平滑濾波唯一地恢復(fù)出?？梢?jiàn)，通過(guò)上述變換，變量將唯一地確定一個(gè)單頻模擬正弦信號(hào)： 式(4-15)該信號(hào)的頻率為： 式(4-16)式(4-1

22、6)就是DDS的基本方程，是利用DDS進(jìn)行頻率合成的立足點(diǎn)。在實(shí)際的DDS應(yīng)用中，一般取，為正整數(shù)，于是DDS的基本方程可寫(xiě)成： 式(4-17)由式(4-17)可以看出，當(dāng)時(shí)，DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)頻率最小，而這個(gè)最小頻率同時(shí)也是DDS系統(tǒng)的頻率分辨率: 式(4-18)對(duì)于DDS系統(tǒng)從波形存儲(chǔ)器中讀數(shù)據(jù)的過(guò)程，我們可以將其看作是對(duì)波形存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)再次采樣的過(guò)程，也就是說(shuō)，DDS系統(tǒng)查表的過(guò)程就是從波形存儲(chǔ)器中二次采樣過(guò)程，一個(gè)周期內(nèi)查表的點(diǎn)數(shù)即為采樣的點(diǎn)數(shù)。DDS系統(tǒng)要恢復(fù)出原始波形，其在一個(gè)周期內(nèi)至少要取樣兩點(diǎn)，這是受我們一直都在強(qiáng)調(diào)的奈圭斯特采樣定理的限制。那么DDS系統(tǒng)在理論上能輸出的

23、最大頻率是： 式(4-19)經(jīng)過(guò)以上的分析，我們得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）DDS系統(tǒng)的輸出頻率只與頻率控制字、系統(tǒng)時(shí)鐘頻率、相位累加器位數(shù)有關(guān)。在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和相位累加器位數(shù)固定時(shí)，通過(guò)改變頻率控制字的值，就可以方便地改變輸出信號(hào)的頻率。（2）DDS系統(tǒng)的頻率分辨率只與系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和相位累加器位數(shù)有關(guān)。想要提高系統(tǒng)的分辨率，可以增加相位累加器位數(shù)或者是降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。（3）DDS理論上最大輸出頻率不會(huì)超過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的二分之一，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于DDS系統(tǒng)中的低通濾波器非理想特性，由通帶到阻帶之間存在著一個(gè)過(guò)渡帶，工程中DDS最高輸出頻率只取到左右。 DDS技術(shù)特點(diǎn)DDS這一新技術(shù)特點(diǎn)

24、鮮明，優(yōu)點(diǎn)很突出，缺點(diǎn)也很明顯。DDS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有很多，它的很多特性是其他頻率合成技術(shù)所沒(méi)有的，其中最主要的特性有以下三點(diǎn)：（1）DDS技術(shù)可以用于產(chǎn)生任意波形基于前面對(duì)DDS系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)分析，很容易理解，只要改變存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)，就可以改變輸出波形。所以對(duì)于任何周期性波形，只要滿足采樣定理，都可以利用DDS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）DDS系統(tǒng)具有很高的頻率分辨率DDS系統(tǒng)輸出頻率的分辨率和頻點(diǎn)數(shù)隨相位累加器的位數(shù)成指數(shù)增長(zhǎng)，由式（4-18）可知，在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率不變的情況下，只要增大相位累加器的位數(shù)，就可以得到幾乎是任意小的頻率分辨率，可以滿足精細(xì)頻率控制的要求。DDS如此精細(xì)的頻率分辨

25、率，使其輸出頻率已十分逼近連續(xù)變化。（3）輸出頻率切換速度快且相位保持連續(xù)與鎖相頻率合成相比，由于DDS系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，所以當(dāng)一個(gè)新的頻率控制字送到時(shí)，它會(huì)迅速合成這個(gè)新的頻率，實(shí)際的頻率切換時(shí)間可以達(dá)ns級(jí)。同時(shí)，頻率切換時(shí)，DDS系統(tǒng)的輸出波形的相位是連續(xù)的。DDS系統(tǒng)的頻率字改變時(shí)，輸出波形的變化過(guò)程可以用圖4.3.8描述。圖4.3.8 頻率控制字改變時(shí)累加器的輸出值和輸出波形的變化（仿真）在波形輸出到點(diǎn)時(shí)，頻率字發(fā)生了改變（變?。辔焕奂悠鞯睦奂又导聪辔徊竭M(jìn)變小，其輸出值斜率也變小，系統(tǒng)的輸出波形的頻率也在同時(shí)刻變小。DDS系統(tǒng)在頻率字發(fā)生改變后的一個(gè)時(shí)鐘周期，其輸出頻率就可以就

26、轉(zhuǎn)換到了新的頻率上，也即在頻率字的值改變以后，累加器在經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期后就按照新的頻率字進(jìn)行累加，開(kāi)始合成新的頻率。所以我們可以認(rèn)為DDS的頻率切換是在一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成的，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越高，切換速度越快。另外，從前面對(duì)DDS技術(shù)原理的分析可知，要改變輸出頻率，實(shí)際上改變的是頻率字，也就是相位增量。當(dāng)頻率字的值從改變?yōu)橹?，相位累加器是在已有的累積相位上，再對(duì)進(jìn)行累加，相位函數(shù)曲線是連續(xù)的。由于DDS采用數(shù)字化技術(shù)，最終合成信號(hào)是經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換得到的，所以不可避免的存在著以下缺點(diǎn)：（1）DDS在工程中的最高輸出頻率一般只能達(dá)到系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的40%，要想獲得較高的頻率，就必須提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率

27、，也就是說(shuō)DDS的相位累加器、波形存儲(chǔ)器和D/A轉(zhuǎn)換器都將工作在較高的時(shí)鐘頻率下，它的實(shí)現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路和高速D/A轉(zhuǎn)換器。這也是DDS系統(tǒng)在早期沒(méi)有受到重視，而直到最近幾年才迅速發(fā)展的原因。（2）DDS系統(tǒng)采用數(shù)字合成技術(shù)，先離散信號(hào)再變換成模擬信號(hào)輸出，這其中導(dǎo)致了各種誤差，尤其是相位截?cái)嗾`差，因此各種雜波是不可避免的。為了具有較高的輸出頻率，DDS系統(tǒng)的參考時(shí)鐘頻率一般都比較高，根據(jù) 式(4-18)，在較高的時(shí)鐘頻率下，要想獲得較高的頻率分辨率，只有通過(guò)增加相位累加器的位數(shù)，故一般的取值都較大。如果相位累加器的所有輸出都用來(lái)作為波形存儲(chǔ)器的尋址地址，那么存儲(chǔ)器的容量會(huì)大得驚人。例如，

28、如果32位累加器的所有位都用來(lái)作為存儲(chǔ)器的地址，那么需要4G個(gè)存儲(chǔ)單元，而如果換成48位的累加器，那么就需要256T（1T=1024G）個(gè)存儲(chǔ)單元，這樣的設(shè)計(jì)顯然是沒(méi)有辦法接受的。因此存儲(chǔ)器的地址線位數(shù)一般都小于。這樣存儲(chǔ)器的地址線就只能接到相位累加器的輸出的高位上，而低位則要舍棄，也就產(chǎn)生了相位截?cái)嗾`差，表現(xiàn)在輸出頻譜上就是雜散分量。5.波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)5.1 軟件設(shè)計(jì)的原理軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分采用“自頂向下”的設(shè)計(jì)方法，其系統(tǒng)控制流程為：系統(tǒng)初始化，用戶控制輸入。具體的流程圖如下：對(duì)于DDS中ROM中存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)我們使用Matlab來(lái)產(chǎn)生。因?yàn)樵贒DS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中，會(huì)用到諸如三角波、方波、正弦波等簡(jiǎn)單波的波形數(shù)據(jù)，如果手動(dòng)計(jì)算，會(huì)比較繁瑣，所以在這里，我利用Matlab的文件讀寫(xiě)函數(shù)，將生成的波形數(shù)據(jù)寫(xiě)到一個(gè)特定的txt文件中，并且符合C中數(shù)組的格式要求。具體的我們可以使用公式法，根據(jù)用戶輸入的公式或者函數(shù)語(yǔ)句產(chǎn)生波形信號(hào)，這種方法比較科學(xué)，精度較高。例