電子信息工程綜合實驗實驗指導(dǎo)書

電子信息工程綜合實驗教程張文青譚文編南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院二〇〇七年五月前言電子信息工程專業(yè)作為江蘇省的一個品牌專業(yè)，除理論課程的設(shè)置表現(xiàn)品牌特色外，對實驗課程的設(shè)置也相當重要，因為實驗課可培育和鍛煉學(xué)生的科研設(shè)計能力和實際動手能力。為了適應(yīng)電子信息工程專業(yè)的進展和需要，咱們結(jié)合教研室的實際特點編寫了這本電子信息工程綜合實驗教程，其中大多數(shù)的實驗都是教研室的科研功效，該實驗教程包括四大類實驗，具體可分為：第一大類測量操縱類實驗，包括轉(zhuǎn)速測量與操縱實驗，溫度測量與操縱實驗，電量測量與分析實驗；第二大類雷達信號處置類實驗，包括雷達測速實驗，線性調(diào)頻脈沖緊縮實驗，匹配濾波器實驗；第三大類鎖相與頻率合成類實驗，包括VCO鎖相環(huán)電路實驗，DDS信號發(fā)生器實驗；第四大類虛擬儀器類實驗，包括LabVIEW編程環(huán)境與大體操作實驗，LabVIEW圖形、數(shù)組、簇編程實驗，數(shù)據(jù)搜集實驗，虛擬信號發(fā)生器實驗，信號處置實驗，網(wǎng)絡(luò)通信實驗，共14個綜合性實驗項目。每一大類都表現(xiàn)了一個特色，學(xué)生可依照自己的情形選做其中的每一大類。本書可作為工科院校電子信息工程專業(yè)綜合實驗的教材或參考書，也可作為相關(guān)課程的實驗教材或畢業(yè)設(shè)計的相關(guān)參考資料。在本書編寫進程中取得電子工程教研室領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和幫忙，專門是取得教研室主任朱曉華教授和張重雄教授的大力支持和幫忙，全書由教研室主任朱曉華教授審閱，在此表示衷心的感激。由于編者水平有限，加上時刻倉促，書中不免存在不妥或錯誤的地方，敬請讀者、同行批評指正。編者2007年9月實驗?zāi)夸浀谝淮箢悳y量操縱類實驗………………………2實驗一轉(zhuǎn)速測量與操縱…………………3實驗二溫度測量與操縱…………………13實驗三電量測量與分析…………………19第二大類雷達信號處置類實驗………………29實驗四雷達測速實驗……………………30實驗五線性調(diào)頻脈沖緊縮實驗…………33實驗六匹配濾波器實驗…………………37第三大類鎖相與頻率合成類實驗……………40實驗七VCO鎖相環(huán)電路實驗……………41實驗八鎖相頻率合成器的設(shè)計…………47實驗九DDS信號源的設(shè)計………………53第四大類虛擬儀器類實驗………………………59實驗十虛擬儀器利用實驗……………60實驗十一LabVIEW編程環(huán)境與大體操作實驗…………62實驗十二LabVIEW圖形、數(shù)組、簇編程實驗…………65實驗十三數(shù)據(jù)搜集實驗………………67實驗十四虛擬信號發(fā)生器實驗………75實驗十五信號處置實驗………………78實驗十六網(wǎng)絡(luò)通信實驗………………80附錄………………99附錄A實驗一的硬件電路圖及參考程序附錄B實驗二的硬件電路圖及參考程序附錄C實驗三的硬件電路圖及參考程序附錄DDSO_2902示波器的說明書第一大類測量操縱類實驗實驗摘要：測量操縱類實驗要緊利用傳感器，接口電路和單片機系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速、溫度、電量等信號進行測量和操縱，通過C51軟件編程完成各部份功能的，該實驗包括的知識點有硬件方面：單片機技術(shù)，傳感器技術(shù)，模擬電子技術(shù)，數(shù)字電子技術(shù)，接口技術(shù)；軟件方面：匯編語言，C51語言，Protel,Matlab等。實驗要求：在做實驗之前，要通過查閱資料明白得該實驗的設(shè)計要求，包括硬件芯片的原理和功能，和單片機方面的知識，熟悉匯編語言和C51語言的編程方式，完成該實驗的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，完成以上內(nèi)容才能進實驗室做實驗。實驗注意事項：遵守實驗室的規(guī)章制度聽從教師的安排注意平安實驗報告撰寫要求：（每人寫一份）實驗?zāi)康膶嶒瀮x器實驗設(shè)計原理（1）硬件設(shè)計原理（2）軟件設(shè)計原理4．實驗步驟5．實驗數(shù)據(jù)搜集與處置6．畫出硬件電路圖7．編寫軟件清單（附上每一條語句的說明說明）8．實驗試探題9．實驗心得體會實驗一轉(zhuǎn)速測量與操縱一、實驗?zāi)康氖煜に俣葌鞲衅鞴ぷ髟硎煜び布O(shè)計原理熟悉軟件編程方式二、實驗儀器PC機、示波器、綜合實驗板、數(shù)字表，頻率計三、實驗設(shè)計原理硬件設(shè)計原理（1）整體設(shè)計框圖速度傳感器速度傳感器放大整形CPUI/O顯示鍵盤D/A信號放大直流電機圖1-1整體設(shè)計方框圖其中，圖的上半部份為測量部份，下半部份為操縱部份CPU：AT89C52I/O：人機接口，7290D/A：5618直流電機：=24v（2）硬件要緊由三塊集成芯片和直流電機、光電轉(zhuǎn)速傳感器等組成。①信號產(chǎn)生與放大整形圖1-2信號產(chǎn)生與放大整形示用意注：圓盤上有360個孔，因此每轉(zhuǎn)輸出360個脈沖。光電轉(zhuǎn)速傳感器：傳感器的作用是將各類現(xiàn)場的被測物理量依照必然的規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量的模擬電信號（電壓或電流）。轉(zhuǎn)速傳感器將電動機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電壓信號，作為整個系統(tǒng)的輸入。本實驗中采納光電式轉(zhuǎn)速傳感器，其工作原理是：利用電動機帶動一個圓周上有均勻散布小孔的圓盤來操縱發(fā)光二極管的光強，使光的強度呈周期性轉(zhuǎn)變。光電二極管的回路電流也呈周期性轉(zhuǎn)變，頻率f=N/60×360=6NHz，其中N為轉(zhuǎn)速，單位為R/min。信號放大整形：傳感器的輸出電壓信號比較小，一樣只有幾毫伏到幾十毫伏，不足以驅(qū)動后邊與之相連的芯片，并混有許多干擾信號，因此必需將信號放大到與下一極芯片驅(qū)動電壓相匹配的程度，并去除干擾，變成一個方波信號。本實驗中電動機、光電傳感器及信號放大整形電路都集成到一塊，封裝在一個圓柱形容器內(nèi)。輸出的信號通過反向器（近一步提供驅(qū)動）緩和沖器后輸送給AT89C52單片機T0管腳。數(shù)據(jù)搜集與處置圖1-3數(shù)據(jù)搜集與處置框圖電路板上有一個由555集成按時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，提供1秒鐘的按時，來操縱74HC244緩沖器的通與斷，如此單片機計數(shù)器一次所積存的數(shù)即為脈沖頻率，經(jīng)換算后可取得電動機的轉(zhuǎn)速。圖1-4按時電路原理圖單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點是：電路有兩個工作狀態(tài)：個穩(wěn)態(tài)，一個暫態(tài)。在沒有外界觸發(fā)信號時，電路處于穩(wěn)態(tài)，而且能一直維持下去。在外界信號的作用下，電路由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換為暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)是一個不能長久維持的狀態(tài)，通過一段時刻后，電路會自動返回到穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時刻，確實是電路輸出脈沖的寬度，它僅取決于電路本身的參數(shù)，而與觸發(fā)脈沖無關(guān)。輸出脈沖寬度為，適被選取按時元件R1和C3的數(shù)值，使＝1s。這種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路要求輸入觸發(fā)負脈沖的寬度小于輸出脈沖的寬度。單片機：本實驗中，單片機的型號是AT89C52，是整個實驗的核心，要緊負責(zé)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)處置和顯示，并操縱直流電機。AT89C52是一款具有低功耗和高性能的、CMOS制造工藝的8位微處置器，有8K字節(jié)的FLASH可編程和可擦除只讀存儲器（PEROM）。有片內(nèi)256×8位內(nèi)部RAM，32根可編程I/O線，3個16位按時/計數(shù)器，八個中斷源，和可編程串行通道等。電路圖如下：圖1-5單片機電路原理圖說明：P1口是數(shù)據(jù)/地址復(fù)用口，P2口是地址口；P1口多用途：P10、P11作為串行總線的兩根線，一根數(shù)據(jù)線，一根時鐘線，P12，P13，P14作為與CS5460A的接口線，本實驗中沒有效到，P15，P16，P17作為三－八譯碼器的輸入信號線；P30，P31是串行輸入/輸出通道，P32（INT0）與ZLG7290的中斷管腳相連，P33（INT1）與CS5460A的中斷管腳相連。P34（T0）作為計數(shù)器的輸入端，P35（T1）作為輸出，作為外部芯片的讀信號線；利用內(nèi)部晶振，外接起振晶體。單片機將搜集來的數(shù)據(jù)通過必然的算法處置后，輸出給D/A，來操縱電機轉(zhuǎn)速。狀態(tài)顯示與鍵盤設(shè)置本實驗頂用ZLG7290作為鍵盤接口和LED顯示驅(qū)動。特點：串行總線接口，提供鍵盤中斷信號，方便與處置器接口；可驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管或64只獨立LED和64個按鍵；8個功能鍵，可檢測任意鍵的連擊次數(shù)。因為ZLG7290采納串行總線，而AT89C52內(nèi)部沒有集成總線接口，因此利用軟件模擬總線接口功能。本實驗中利用了8個數(shù)碼管，分為兩組，數(shù)碼管的左四位顯示數(shù)值為當前所處狀態(tài)，右四位顯示數(shù)值為對應(yīng)狀態(tài)的數(shù)值。以數(shù)值表示的狀態(tài)含義如下：0101――當前電機轉(zhuǎn)速0102――設(shè)置電機轉(zhuǎn)速4ⅹ4鍵盤布鍵如下：圖1-64ⅹ4鍵盤布鍵示用意實驗板的左下方有一4ⅹ4鍵盤,配合數(shù)碼管利用。測量當前電機轉(zhuǎn)速，那么按一下“電機”鍵，數(shù)碼管右四位即表示當前電機轉(zhuǎn)速；假設(shè)要改變轉(zhuǎn)速，那么按一下設(shè)置鍵，這時，數(shù)碼管左四位顯示“0102”，即可進行設(shè)置轉(zhuǎn)速，設(shè)置好后再按“確信”鍵。再按一次“電機”鍵，即可看到電機當前轉(zhuǎn)速，再按一次又回到設(shè)置轉(zhuǎn)速；設(shè)置時如想修改，按“取消”，即可從頭輸入設(shè)置值（設(shè)置值500－2500R/M，不然無效）。電路圖如下：圖1-74ⅹ4鍵盤電路示用意操縱電路本實驗中，要通過設(shè)置轉(zhuǎn)速來操縱電機的轉(zhuǎn)速，需要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，電路中利用了D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5618。芯片特點：12位雙通道串行接口；可編程設(shè)置轉(zhuǎn)換時刻，高速模式下為，低速模式下為12us；89C52將保留的設(shè)置預(yù)期轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出到5618的SDI端，從SDI端輸入的數(shù)字信號經(jīng)TLV5618轉(zhuǎn)換成模擬信號，由OUTB端輸出，經(jīng)放大后作用于直流電機，達到閉環(huán)操縱目的。電路圖：圖1-8操縱電路示用意驅(qū)動電路：直流電機的驅(qū)動電流和電壓都比較大，一樣要0－24V的電壓，而D/A輸出的信號電壓和電流比較小，電壓范圍為0－5V，不能直接驅(qū)動，中間要通過電壓、電流放大。圖1-9驅(qū)動電路示用意圖1-10信號放大器電路示用意依照理想運放的性質(zhì)，輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：當在0～5V之間轉(zhuǎn)變時，約在0～24V之間轉(zhuǎn)變，變換后的電壓操縱直流電機的轉(zhuǎn)速，直至電機轉(zhuǎn)速達到預(yù)期設(shè)定值，從而實現(xiàn)閉環(huán)操縱。可是因為放大電路的非線性性，會帶來轉(zhuǎn)速誤差。直流調(diào)速電機在本實驗中為受控對象，在必然的輸入電壓下，輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。輸入電壓的范圍為0～24V。軟件設(shè)計原理圖1-11軟件設(shè)計流程圖實驗程序見附錄四、實驗步驟1.按實驗要求連接電路，檢查沒有連接錯誤后，給綜合實驗板上電，開始實驗。在實驗的整個進程中要注意平安。2.用鍵盤設(shè)置電機轉(zhuǎn)速，從500R/min開始，當數(shù)碼管顯示的當前轉(zhuǎn)速在設(shè)定轉(zhuǎn)速周圍上下小幅波動時或穩(wěn)固在設(shè)定轉(zhuǎn)速時，用示波器測量TLV5618的OUTB端的信號頻率，用萬用表測量OUTB端的信號電壓、直流電機的輸入電壓（測試點為f對應(yīng)m2，VOUTB對應(yīng)R23，對應(yīng)m+）.3.改變設(shè)定的轉(zhuǎn)速，依次輸入500R/min～2500R/min之間的值，重復(fù)步驟2。4.記錄數(shù)據(jù)，處置數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)的搜集和分析1．數(shù)據(jù)搜集設(shè)定參數(shù)R/m/Hz誤差η/%/v/vA轉(zhuǎn)速方程600=（R）90012001500=（R）18002000表1-1所測參數(shù)2．數(shù)據(jù)分析理論上，=，（即理論值），A=(不能用表1-1中數(shù)據(jù)直接計算，因為有初始值）==，η=×100%。通過表1-1中數(shù)據(jù)計算，=（1）在實驗數(shù)據(jù)選擇上，設(shè)定參數(shù)的前五個轉(zhuǎn)速由上而下的以300R/m遞增，同時測得數(shù)據(jù)的值也相應(yīng)以相似的差值遞增，因此，咱們假想和轉(zhuǎn)速R成線性關(guān)系。設(shè)=aR+c——式①其中a和c為未定常量。因為d/Dr=a=Δ/ΔR——式②將表1-1中數(shù)據(jù)代入式①和式②，可取得表1-2ac表1-2參數(shù)a和c的值因此，==因此，=（2）由表1-1可知，和成倍的關(guān)系。由（1）中一樣的分析方式可得：=綜上，轉(zhuǎn)速方程為：==（3）驗證轉(zhuǎn)速方程的正確性選取轉(zhuǎn)速為1300R/m，測量得=V，=V計算取得η1=，η2=，η=（η1+η2）/2S=（10-η）×10=η1η2ηS表1-3所測參數(shù)的值用Matlab畫出轉(zhuǎn)速特性曲線（1）（2）六、實驗試探題一、在測量轉(zhuǎn)速時，本實驗設(shè)計是采納的硬件按時，假設(shè)用軟件按時，該如何設(shè)計？請用C51設(shè)計出基于軟件按時的轉(zhuǎn)速測量程序。2．結(jié)合該實驗的硬件結(jié)構(gòu)，查閱有關(guān)資料設(shè)計一個步進電機的操縱程序。實驗二溫度測量與操縱一、實驗?zāi)康?．熟悉溫度傳感器；2．熟悉溫度測量硬件設(shè)計原理；3．熟悉溫度測量軟件設(shè)計原理。二、實驗儀器PC機、示波器、綜合實驗板、電熱水器、數(shù)字表三、設(shè)計原理1．硬件設(shè)計原理（1）原理框圖圖2-1硬件設(shè)計原理框圖（2） 硬件部分主要包括4塊集成芯片、電熱水器、溫度傳感器和雙向可控硅等。 ①信號產(chǎn)生與放大 溫度傳感器：圖2-2溫度傳感器結(jié)構(gòu)示用意本實驗是采納的是鉑熱電阻式溫度傳感器，它是一種負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC），特點是熱電特性穩(wěn)固，測溫準確度高，可作標準熱電偶。熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度增加而增加這一特性來進行溫度測量的。利用電阻值隨溫度轉(zhuǎn)變的特性制成得傳感器稱為熱電阻傳感器。熱電阻傳感器要緊用于對溫度和溫度有關(guān)的參量（如壓力、流速等）進行測量。鉑熱電阻溫度傳感器的特點：鉑的物理、化學(xué)性能超級穩(wěn)固，是目前制造熱電阻的最好材料。鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系在0～°C范圍內(nèi)為：，B的值在量級。故電阻隨溫度轉(zhuǎn)變的線性度專門好。電阻值隨溫度T的線性轉(zhuǎn)變將引發(fā)鉑熱電阻兩頭的電位差的線性轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號。其具體結(jié)構(gòu)如下：圖2-3溫度傳感器等效電路圖 信號放大：傳感器的輸出電壓信號比較小，一樣只有幾毫伏到幾十毫伏，不足以驅(qū)動后邊與之相連的芯片，并混有許多干擾信號，因此必需將信號放大到與下一極芯片驅(qū)動電壓相匹配的程度，并去除干擾。該部份的功能是將隨溫度的轉(zhuǎn)變靈敏度放大200倍，即交流放大倍數(shù)為200，使進入AD7865的采樣信號變換范圍擴大到0～5V，使數(shù)據(jù)的處置精度提高。這部份電路在實驗板上是一個集成模塊，在電路板下方中部。其等效電路圖為：圖2-4溫度傳感器放大電路②信號搜集與處置由于溫度傳感器輸出的信號為模擬量，必需通過模數(shù)轉(zhuǎn)換才能為CPU處置。將模擬電 信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為A/D變換。本實驗采用的芯片是AD7856，主要應(yīng)用在溫度測量系統(tǒng)中。芯片特點：高速，低耗，有4個采樣通道，同時可以進行4路采樣，輸出14位位寬的并行數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換時間是，信號分辨率位V。電路連接圖：圖2-5信號搜集與處置電路原理圖7865的管腳連接：，用程序操縱通道的選擇。在本實驗中只用了一個通道，也能夠硬件來處置，如此程序就比較簡單。，利用內(nèi)部產(chǎn)生的主時鐘。，正常的操作模式。 低四位是雙向的，輸入時用來選擇通道，輸出時是轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)的是14位的并行數(shù)據(jù)，而CPU的數(shù)據(jù)線只有8位，因此現(xiàn)將14位數(shù)據(jù)分成兩組，鎖存后，由CPU兩次讀取。AD7856的FRSTDATA，BUSY，EOC，也被CPU讀取，用來作為內(nèi)部程序的操縱。單片機：本實驗中，單片機的型號使AT89C52，是整個實驗的核心，要緊負責(zé)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)搜集、數(shù)據(jù)處置和顯示，并操縱直流電機。AT89C52是一款具有低功耗和高性能的、CMOS制造工藝的8位微處置器，有8K字節(jié)的FLASH可編程和可擦除只讀存儲器（PEROM）。有片內(nèi)256×8位內(nèi)部RAM，32根可編程I/O線，3個16位按時/計數(shù)器，八個中斷源，和可編程串行通道等。單片機將搜集來的數(shù)據(jù)通過必然的算法處置后，輸出給D/A，來操縱熱水器狀態(tài)。電路圖與實驗一相同。 ③狀態(tài)顯示與鍵值設(shè)置 本實驗頂用ZLG7290作為鍵盤接口和LED顯示驅(qū)動。特點：串行總線接口，提供鍵盤中斷信號，方便與處置器接口；可驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管或64只獨立LED和64個按鍵；8個功能鍵，可檢測任意鍵的連擊次數(shù)。因為ZLG7290采納串行總線，而AT89C52內(nèi)部沒有集成總線接口，因此利用軟件模擬總線接口功能。本實驗中利用了8個數(shù)碼管，分為兩組，數(shù)碼管的左四位顯示數(shù)值為當前所處狀態(tài)，右四位顯示數(shù)值為對應(yīng)狀態(tài)的數(shù)值。以數(shù)值表示的狀態(tài)含義如下：0201――當前溫度0202――設(shè)置溫度實驗板的左下方有一4ⅹ4鍵盤,配合數(shù)碼管利用。測量當前水溫，那么按一下“溫度”鍵，數(shù)碼管右四位即表示當前水溫度值；假設(shè)要改變溫度，那么按一下設(shè)置鍵，這時，數(shù)碼管左四位顯示“0202”，即可進行設(shè)置轉(zhuǎn)速，設(shè)置好后再按“確信”鍵。再按一次“溫度”鍵，即可看到水溫度值，再按一次又回到設(shè)置溫度；設(shè)置時如想修改，按“取消”，即可從頭輸入設(shè)置值（設(shè)置值10－100℃，不然無效）。電路圖與實驗一相同。④操縱電路本實驗中，要通過設(shè)置溫度來操縱電熱水器工作狀態(tài)，需要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換位模擬信號，電路中利用了D/A轉(zhuǎn)換芯片TLV5618。芯片特點：12位雙通道串行接口；可編程設(shè)置轉(zhuǎn)換時刻，高速模式下為，低速模式下為12us；89C52將保留的設(shè)置預(yù)期轉(zhuǎn)速值轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)輸出到5618的SDI端，從SDI端輸入的數(shù)字信號經(jīng)TLV5618轉(zhuǎn)換成模擬信號，由OUTA端輸出。鐺鐺前溫度值比設(shè)定的溫度值小于2℃以下時，OUTA端輸出5V，雙向可控硅導(dǎo)通，熱水器開始加熱；鐺鐺前溫度值比設(shè)定的溫度值不小于2℃時，OUTA端輸出0V，雙向可控硅截止，熱水器停止加熱。達到閉環(huán)操縱目的。電路圖：圖2-6操縱電路原理圖雙向可控硅：雙向可控硅（TRIAC）是由NPNPN五層半導(dǎo)體材料組成的，相當于兩只兩只一般可控硅反向并聯(lián)，它也有三個電極，別離是主電極T1，主電極T2和門極G。雙向可控硅能夠雙向?qū)ǎ撮T極加上正或負的觸發(fā)電壓，均能觸發(fā)雙向可控硅正反兩個方向的導(dǎo)通。當門極G和主電極T2相關(guān)于主電極T1的電壓為正（，）或門極G和主電極T1相關(guān)于主電極T2的電壓為負（，）時，可控硅的導(dǎo)通方向為T2T1?，F(xiàn)在T2為陽極，T1為陰極。當門極G和主電極T1相關(guān)于主電極T2的電壓為正（，）或門極G和主電極T2相關(guān)于主電極T1的電壓為負（，）時，可控硅的導(dǎo)通方向為T1T2?，F(xiàn)在T1為陽極，T2為陰極。雙向可控硅的主電極T1與主電極T2間，不管所加電壓極性是正向仍是反向，只要門極G和主電極T1（或T2）間加有正、負極性不同的觸發(fā)電壓，知足其必要的觸發(fā)電流，可控硅即可觸發(fā)導(dǎo)通呈低阻狀態(tài)?，F(xiàn)在，主電極T一、T2間壓降約為1V左右。雙向可控硅一旦導(dǎo)通，即便失去觸發(fā)電壓，也能繼續(xù)維持導(dǎo)通狀態(tài)。當主電極T一、T2電流減小至維持電流一下或T一、T2間電壓改變極性，且無觸發(fā)電壓時，雙向可控硅阻斷，只有從頭施加觸發(fā)電壓，才能再次導(dǎo)通。圖2-7雙向可控硅示用意A雙向可控硅電路圖形符號B雙向可控硅等效電路C，D，E，F(xiàn)雙向可控硅的觸發(fā)狀態(tài)（5）電熱水器本實驗中作為受控對象，受單片機操縱。2．軟件設(shè)計原理圖2-8軟件設(shè)計原理示用意源程序見附錄四、實驗步驟1．按實驗要求連接電路，檢查沒有連接錯誤后，給綜合實驗板上電，開始實驗。在實驗的整個進程中要注意平安。 2．用鍵盤設(shè)置一個溫度值，當數(shù)碼管顯示的溫度與設(shè)定值相等時，用萬用表測量溫度傳感器的輸出電壓和放大后的電壓（測試點為：等于T1與T2或T3之間的電位差；等于與參考地之之間的電位差）。 3．測量電熱水器的操縱電壓。別離測量電熱水器工作和停止時的操縱電壓。 4．測量溫度閥值。由軟件設(shè)計原理可知，鐺鐺前溫度比設(shè)定溫度值不低于2℃時，電熱水器斷電停止加熱；而鐺鐺前溫度比設(shè)定溫度值低于2℃時，電熱水器通電開始加熱。咱們稱剛斷電停止加熱和從頭通電開始加熱時的溫度稱為溫度閥值。 5．設(shè)定溫度值從20℃～90℃，每10℃設(shè)定一個值。重復(fù)步驟2～4。6．記錄數(shù)據(jù)，處置數(shù)據(jù)。五、數(shù)據(jù)搜集與處置t℃2535455565758590/mv/v=(t)=(t)Δt=1℃Aγt/℃/v -/℃表2-1所測參數(shù)參數(shù)的物理意義：：溫度傳感器的變換電壓A：增益。A== 分辨率：AD7865工作使的參考電壓為，14位寬度，那么此芯片的電壓分辨率為，Δ=V/,因此溫度分辨率為rt=rv/Δ=利用Matlab繪制溫度特性曲線：六、試探題1．問：A/D+D/A的軟件編程？（兩個模塊，如何用軟件操縱）2．溫度傳感器還有哪些？簡述一下它們的工作原理3．通過該實驗的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計一個簡單數(shù)字存儲示波器的程序。實驗三電量測量與分析一、實驗?zāi)康?．熟悉電壓互感器和電流互感器的工作原理2．把握電量測量與分析原理3．熟悉電量測量硬件設(shè)計原理4．熟悉電量測量軟件設(shè)計方式二、實驗儀器PC機、示波器、綜合實驗板、數(shù)字表、電熱水器三、實驗設(shè)計原理1．硬件設(shè)計原理電量分析原理實際負載并非是完全的純電阻特性，是既包括線性的電阻、電容和電感器件，也包括二極管、三極管等非線性器件，因此在220V正弦電壓的作用下，負載兩頭的電流不在是正弦信號，而是含有豐碩諧波分量的非正弦周期信號，電量參數(shù)的測試較為復(fù)雜?？墒抢酶叨燃苫挠嬎汶娏啃酒珻S5460A能夠方便地設(shè)計出一個電量測試系統(tǒng)。為了便于分析測量地數(shù)據(jù)，現(xiàn)將相關(guān)電路理論論述如下：①關(guān)于正弦周期信號 瞬時電壓： 瞬時電流： 瞬時功率： 有效電壓： 有效電流： 有效功率： 視在功率: 無功功率： 功率因素： 電壓與電流的相位差：②非正弦周期信號非正弦信號又分為周期的和非周期的兩種。關(guān)于周期的非正弦周期信號，第一應(yīng)用數(shù)學(xué)中的傅立葉級數(shù)展開方式，將其分解為一系列不同頻率的正弦分量之和，再依照線性電路的疊加定理，別離計算在各個正弦分量單獨作用下在電路中產(chǎn)生的同頻正弦電流、電壓分量；最后，把所得分量按時域形式疊加，就能夠夠取得電路在非正弦周期鼓勵下的穩(wěn)態(tài)電流和電壓。這種方式稱為諧波分析法。它事實上是把非正弦周期電流電路的計算化為一系列正弦電流電路的計算。任一周期電流地有效值I概念為：假設(shè)一非正弦周期電流能夠分解為傅立葉級數(shù)：將帶入有效值公式，那么得此電流得有效值為：計算得瞬時功率為：平均功率為：其中：，，，負載特性：①純阻狀態(tài)下，i圖與u圖一樣，為正弦波；②非純阻狀態(tài)下，u圖為正弦波，i圖為非正弦波。硬件框圖圖3-1硬件原理框圖各部份原理 本實驗頂用了4塊集成芯片，還有互感器、雙向可控硅和三種負載等。 ①互感器部份電路圖3-2互感器部份電路示用意電壓互感器通過一個繞組，將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓。輸出電壓與輸入電壓同頻同相。本實驗中利用兩個互感線圈的匝數(shù)比，將輸入端約220V的交流電壓轉(zhuǎn)換成為小于250mV的低電壓。電流互感器類似。說明：通過鍵盤設(shè)定一個工作溫度，使電路內(nèi)部的開關(guān)閉合，如此左側(cè)的電路才有電壓輸出，使負載開始工作。才能用來測量其他的電量參數(shù)，不然，在電路板數(shù)碼管上只有電壓的值，其他參數(shù)的值都為零。 ②電量測量芯片CS5460A本實驗中所運用的A/D芯片是CS5460A，既適用于交流電路又適用于直流電路。5460是一款高度集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它在單一芯片上集成了兩個轉(zhuǎn)換器、高速功率計算功能和一個串行接口。該芯片是為精準測量和計算而設(shè)計的，可用于單項2－3線功率測量設(shè)備的能量、瞬時功率、和的測量。CS5460A可與一個低本錢旁路電阻或變壓器相聯(lián)接以電流，也可與電阻分割器或測量用變壓器相聯(lián)接以測量電壓。CS5460A帶有一個與微操縱器通信的雙向串口和一個與供電成正比的可編程頻率輸出。CS5460A的片上功能還包括直流或交流系統(tǒng)校準。該芯片的性能優(yōu)于其他計量芯片，要緊表此刻：①轉(zhuǎn)換精度高，測量功能強。自身轉(zhuǎn)換精度達到級，能夠?qū)崿F(xiàn)級的測量儀表?？蓽y量瞬時電流、瞬時電壓、瞬時功率、電流有效值、電壓有效值、功率有效值和電能計量。②外圍器件少，具有片內(nèi)看門狗按時器（WatchDogTimer）與內(nèi)部電源監(jiān)視器。該芯片只用很少的外圍器件即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，確保了儀表的轉(zhuǎn)換精度及穩(wěn)固性。③接口方便。器件本身形成雙向接口，雙向串行口與內(nèi)部寄放器陣列能夠方便地與微處置器連接，并有功能很強地內(nèi)部寄放器數(shù)組，僅用5～6跟線即可方便地與單片機接口。在本實驗中，利用CS5460A芯片來測量交流電壓。電流地有效值（U、I），視在功率（S）、有效功率（P）和功率因素（）。依照U和I地概念，在采樣速度很高地情形下，積分運算能夠轉(zhuǎn)化為求和運算，和即為有效值。連接電路如下：圖3-3電量測量電路原理圖③單片機、D/A變換器、鍵盤顯示接口芯片單片機型號為AT89C52，D/A變換器型號為TLV5618，鍵盤顯示接口芯片為ZLG7290。單片機、D/A變換器電路見前邊的實驗。鍵盤和顯示部份現(xiàn)說明如下：鍵盤配合數(shù)碼管利用，以顯示8位的數(shù)碼管在板子的左上方為參考方位，數(shù)碼管的左四位顯示數(shù)值為當前所處狀態(tài)，右四位顯示數(shù)值為對應(yīng)狀態(tài)的數(shù)值。以數(shù)值表示的狀態(tài)含義如下：0301――當前交流電壓0302――當前交流電流0303――當前視在功率0304――當前有功功率0305――當前功率因數(shù)測電量時，按一下“電量”鍵，即可看到當前交流電壓值，設(shè)置一溫度使所測負載開始工作，再按一下即為當前交流電流值，以此類推，持續(xù)按“電量”鍵，狀態(tài)從“當前交流電壓值”到“當前功率因數(shù)”依次切換。測電量時不用“設(shè)置”鍵。④雙向可控硅見實驗二相關(guān)部份。⑤負載本實驗中負載有：電熱水器、顯示器和電腦主機。2．軟件設(shè)計原理圖3-4軟件設(shè)計原理示用意 實驗程序見附錄四、實驗步驟1．按實驗要求連接電路，檢查沒有連接錯誤后，給綜合實驗板上電，開始實驗。在實驗的整個進程中要注意平安。2．在實驗板上測量。將電熱水器作為負載接入電路，鍵盤設(shè)置一溫度值啟動電熱水器工作，按實驗原理測量電量。3．用示波器測量。記錄電壓幅、電流幅度值、工作頻率，測量電壓和電流的相位差，并繪制電壓、電流波形圖。4．別離將顯示器和PC主機作為負載，重復(fù)步驟2和3。5．處置數(shù)據(jù)，填寫表格。6．用Matlab畫出三種負載的電壓和電流波形。五、數(shù)據(jù)的搜集和分析1．數(shù)據(jù)的搜集與處置負載參數(shù)熱水器主機顯示器U/v218220220I/AS65012575P6309332λ/mv180184184/mA6134T/ms202020u（t）180sin(100πt)184sin(100πt)184sin(100πt)i(t)61sin(100πt)14t-35<t<5-14t+1055<t<-14t+175<t<1514t-21015<t<0其他I（t）=342<t<500<t<2,5<t<20/mv/mAφ/°0表3-1實驗數(shù)據(jù)實驗中，在綜合實驗板上直接測量的五個數(shù)據(jù)的含義為：有效電壓U==有效電流I==視在功率（額定功率）S=UI有效功率P=UIcosφ（0≤φ≤90°）功率因數(shù)（反映電源利用率）λ==cosφ≤1在本實驗中，熱水器可近似為純阻，因此，熱水器的U（t）表達式能夠近似為正弦形式，I(t)表達式也能夠近似為正弦形式（如上表1），電流I和電壓U相位差φ為零值。主機運行時，要緊表現(xiàn)為容抗，因此電流I和電壓U相位差φ為正值（滯后）。顯示器運行時，要緊表現(xiàn)為感抗，因此電流I和電壓U相位差φ為負值（超前）。依照示波器上顯示的圖形，能夠?qū)⒏鱑（t）和I(t)用上述數(shù)學(xué)表達式表示（如上表1）2．用Matlab畫出三種負載的電壓和電流波形六、實驗試探題1．不用專用芯片設(shè)計，測量電量的方式還有哪些？第二大類雷達信號處置類實驗實驗摘要：雷達信號處置類實驗要緊利用雷達系統(tǒng)產(chǎn)生的雷達信號進行測速，和雷達信號處置方面的實驗，要求熟悉雷達的原理和DSP技術(shù)的應(yīng)用，該實驗包括的知識點有硬件方面：雷達系統(tǒng)原理，DSP設(shè)計原理，單片機技術(shù)等；軟件方面：C語言設(shè)計，Matlab的應(yīng)用等。實驗要求：在做實驗之前，要通過查閱資料明白得該實驗的設(shè)計要求，包括雷達系統(tǒng)的原理和DSP技術(shù)的應(yīng)用，和單片機方面的知識，熟悉C語言和Matlab的編程方式，了解該實驗的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，完成以上內(nèi)容才能進實驗室做實驗。實驗注意事項：實驗室的規(guī)章制度教師的安排注意平安實驗報告撰寫要求：（每人寫一份）實驗?zāi)康膶嶒瀮x器實驗設(shè)計原理（1）硬件設(shè)計原理（2）軟件設(shè)計原理4．實驗步驟5．實驗數(shù)據(jù)搜集與處置6．畫出硬件電路圖或框圖7．實驗心得體會實驗四雷達測速實驗一、實驗?zāi)康?．了解雷達測速的原理；2．了解雷達測速的應(yīng)用；3．把握雷達測速信號處置方式。二、實驗內(nèi)容1．觀看測速雷達的組成；2．觀看測速雷達信號處置的組成；3．用示波器觀看測速雷達的輸出波形；4．通過測速雷達測量并觀看運動目標。三、系統(tǒng)組成測速雷達系統(tǒng)要緊由高頻頭、預(yù)處置系統(tǒng)、終端系統(tǒng)和啟動器等組成，其原理結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。毫米波振蕩器產(chǎn)生毫米波（35GHz）振蕩，設(shè)其頻率為，經(jīng)隔離器加至環(huán)行器，再由天線定向輻射出去，并在空間以電磁波形式傳播，當此電磁波在空間碰到目標（如車輛、人）時反射回來。若是目標是運動的，那么反射回來的電磁波頻率附加了一個與目標運動速度成正比的多普勒頻率，使反向回波頻率變成（目標臨近飛行取“+”,目標遠離飛行取“-”），此回波被天線接收下來，經(jīng)環(huán)行器加至混頻器，在混頻器中與經(jīng)環(huán)行器泄漏的信號（作為本振信號）進行混頻?；祛l器為非線性元件，其輸出有多種和差頻率如等，經(jīng)前置放大器選頻得多普勒信號（頻率為），送至預(yù)處置系統(tǒng)的主放大器，主放大器附有自動增益操縱與手動增益操縱電路。手動增益用來調(diào)整放大器的總增益，自動增益操縱用來增加放大器的動態(tài)范圍。多普勒信號經(jīng)放大器放大，送至帶通濾波器，此信號再送到終端系統(tǒng)的高速采樣ADC，并將結(jié)果送入高速緩存區(qū)，由數(shù)字處置器（DSP）計算出目標的速度信息實時顯示出來。圖4-1毫米波測速雷達系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖四、大體原理如前所述，毫米波測速雷達的測速原理是利用電磁波在空間傳播碰到運動目標時產(chǎn)生多普勒效應(yīng)來進行的。即雷達發(fā)射的電磁波（頻率為）碰到運動目標時所產(chǎn)生的回波信號，頻率為，為多普勒頻率，它與目標徑向速度的關(guān)系為：其中，為光速，為目標徑向速度，為雷達發(fā)射的電磁波頻率（35GHz），為發(fā)射電磁波的波長（8mm）。由此得：由此可見，只要測得（和是已知的），即可由公式求出徑向速度。測量大致有2種方式：時域法和頻域法。若是雷達工作環(huán)境惡劣（如有地物雜涉及各類干擾），會使接收到的多普勒信號的“背景”十分復(fù)雜，信噪比大大降低，采納傳統(tǒng)的時域處置方式對被淹沒在干擾和噪聲中的多普勒信號檢出或識別往往是困難的，使得測頻精度明顯下降。而采納頻域譜分析方式，選擇適合的采樣頻率及適當?shù)拇翱?，能夠大大提高測頻精度和靠得住性。該測速雷達就采納頻域譜分析方式測量，進而取得目標的徑向運動速度。五、數(shù)字信號處置雙端口存儲器顯示器（LED）雙端口存儲器顯示器（LED）DSP（TMS320VC33）串行通信圖4-2由DSP（TMS320VC33）組成的數(shù)字信號處置系統(tǒng) 頻域譜分析的方式由圖2所示的數(shù)字信號處置系統(tǒng)完成，該系統(tǒng)由DSP（TMS320VC33）、雙端口存儲器等組成。DSP一方面完成頻域譜分析算法，再按上述公式轉(zhuǎn)換成目標的徑向運動速度，并在顯示器（LED）上直觀地顯示出來，另一方面將原始數(shù)據(jù)和頻域譜分析結(jié)果通過RS485串行通信口送給PC機，在CRT上顯示出來。

實驗五線性調(diào)頻脈沖緊縮實驗一、實驗?zāi)康?．了解線性調(diào)頻脈沖緊縮的工作原理；2．了解線性調(diào)頻脈沖信號加權(quán)處置的工作原理；3．了解脈壓系統(tǒng)組成方塊圖的組成原理；4．把握脈沖緊縮信號的“緊縮比”和“主旁瓣比”的測量方式。二、實驗內(nèi)容1．觀看實驗室脈壓裝置——數(shù)字信號處置系統(tǒng)的組成；2．觀看各組成部份的輸入、輸出波形；3．觀看線性調(diào)頻脈沖信號因幅度失真而引發(fā)的成對回波；4．觀看“脈壓”系統(tǒng)的距離分辯力；5．用示波器測量“脈沖緊縮比”和“主旁瓣比”。三、線性調(diào)頻脈沖信號處置系統(tǒng)工作原理線性調(diào)頻矩形脈沖信號的復(fù)數(shù)表達式為：其中u(t)為信號復(fù)包絡(luò)：式中T為脈沖寬度，信號的瞬時頻率可寫成：瞬時頻率f(t)與時刻成線性關(guān)系，因此稱為線性調(diào)頻信號。其中k=B/T稱為調(diào)頻斜率，B為調(diào)頻帶寬，即信號的帶寬。線性調(diào)頻信號的脈沖緊縮是通過匹配濾波器取得的，若是輸入信號的頻率特性為：那么匹配濾波器的頻率特性應(yīng)知足下式：假設(shè)令：那么可得：上式中緊縮濾波器的群延遲特性(頻率－延時特性)為：是與濾波器物理實現(xiàn)有關(guān)的一個附加延時?？傻镁€性調(diào)頻脈沖緊縮濾波器的輸出信號為：實際情形下取實信號表示為：當輸入信號有ξ的多普勒頻率時，匹配濾波器的輸出表達式為：上式說明當ξ=0時，輸出脈沖具有sinc函數(shù)型包絡(luò)，-4dB主瓣寬度為1/B，第一旁瓣高度約為，其它旁瓣隨其離主瓣的距離x按l/x的規(guī)律衰減，旁瓣零點距離為1/B。若是輸入脈沖幅度為1，且匹配濾波器在通帶內(nèi)傳輸系數(shù)為1，那么輸出脈沖幅度為，D=BT表示輸入脈沖和輸出脈沖的寬度比，稱為緊縮比。當ξ=0時，sinc函數(shù)包絡(luò)將產(chǎn)生位移，引發(fā)測距誤差，同時輸出脈沖幅度略有下降。圖5-1線性調(diào)頻信號的匹配濾波輸出如圖1所示，線性調(diào)頻信號通過匹配濾波器的輸出信號，其第一副瓣電平(最大副瓣的高度依照主瓣幅度歸一化后)約為，太大的副瓣會阻礙對臨近弱目標的檢測。為了降低太高的距離旁瓣，需要對用適當?shù)拇昂瘮?shù)對信號頻譜進行加權(quán)。最經(jīng)常使用的方式是對匹配濾波器的權(quán)值進行頻域或時域進行窗函數(shù)加權(quán)。經(jīng)常使用的窗有hamming窗、Taylor窗等。對線性調(diào)頻信號，也能夠進行時域加窗，時域加權(quán)和頻域加權(quán)的結(jié)果是大致等效的。若是采納了窗函數(shù)加權(quán)，副瓣電平將大大降低，但同時加權(quán)引發(fā)的失配也會使主瓣展寬和產(chǎn)生必然的信噪比損失。上式給出了某些經(jīng)常使用的窗函數(shù)的統(tǒng)一表示，其中B表示信號帶寬。上式中，當k=,n=2時，是hamming窗；當k=,n=4時，是hanning窗；當k=0,n=4時，是余弦四次方窗。峰值副瓣電平理論值別離為-43dB、-32dB和-47dB。如：加hamming窗時，可使第一副瓣降至-43dB，帶來的是信噪比損失，-3dB主瓣展寬倍。圖二、3所示為帶寬2MHz，時寬10us，載頻(中心頻率)為10MHz的線性調(diào)頻脈沖信號的脈沖緊縮和加權(quán)處置結(jié)果。圖5-2LFM信號通過匹配濾波器的輸出圖5-3時域加權(quán)的脈壓輸出結(jié)果四、用示波器測量主旁瓣比和緊縮比1．主旁瓣比測量方式一：用示波器讀出主旁瓣幅度在示波器上所占格數(shù)依照衰減器之V／CM讀出幅值進行計算。方式二：用示波器測量主峰的幅度，再測量旁瓣的幅度，然后依照下式計算主旁瓣比：式中，M為主峰的幅度，N為旁瓣的幅度。2．緊縮比測量用示波器測出緊縮前后二者脈寬即可計算。緊縮后脈寬以主峰值半功率點處寬度為準。注：用示波器測信號幅值和時寬時，Y、X軸的“校正”旋鈕必然要放對，否則讀出數(shù)值是不對的，但在測量的是比值因此能夠不經(jīng)校正。實驗六匹配濾波器實驗該實驗裝置采納最新的科研功效和超大規(guī)模集成電路，由雷達信號產(chǎn)生器、匹配濾波器電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和電源等部份組成，是一個通用的匹配濾波器實驗裝置，能夠完成經(jīng)常使用匹配濾波器信號的處置。一、實驗?zāi)康膌．了解匹配濾波器的工作原理；2．把握脈壓信號的緊縮比、主旁瓣比、碼元寬度的測量方式；3．加深和鞏固課堂所學(xué)有關(guān)距離分辨力、橫向濾波器和匹配濾波方面知識。二、實驗器材匹配濾波器實驗箱，模擬示波器，穩(wěn)壓電源三、實驗內(nèi)容圖6-1匹配處理系統(tǒng)實驗箱圖6-1匹配處理系統(tǒng)實驗箱實驗箱OUT1端口為原始波形信號輸出，OUT2端口為信號匹配濾波輸出。數(shù)碼管用以顯示當前信號波形和頻率指示，K1～K8用來選擇波形和當前信號頻率。其含義如下：1．按鍵K1：數(shù)碼管顯示P。單脈沖。周期1ms；脈沖寬度30us。2．按鍵K2：數(shù)碼管顯示SP。脈沖串。周期1ms；脈沖寬度10us。一個周期有7個單脈沖。3．按鍵K3：數(shù)碼管顯示31。31位m序列。無窮長；碼元寬度1us。4．按鍵K4：數(shù)碼管顯示P31。31位PN截斷碼。周期1ms；碼元寬度1us。5．按鍵K5：數(shù)碼管顯示b13。13位巴克碼。周期1ms；碼元寬度1us。6．按鍵K6：數(shù)碼管顯示cb47。4位/7位組合巴克碼。周期1ms；碼元寬度1us。7．按鍵K7：數(shù)碼管顯示c32。雙路32位互補碼。周期1ms；碼元寬度1us。8．按鍵K8：數(shù)碼管顯示c321。輸出其中一路32位互補碼。周期1ms；碼元寬度1us。注：(1)每次按鍵，實驗箱OUT1輸出碼元信號，OUT2相對應(yīng)的匹配輸出。(2)同一按鍵再按一次，碼元寬度增加，數(shù)碼管顯示帶小數(shù)點。四、實驗步驟1.檢查實驗箱電源，和信號輸出的連接方式；2.打開實驗箱電源和示波器，調(diào)整示波器使觀看信號最正確；2.按鍵K1，數(shù)碼管顯示P，觀看OUT1輸出的單脈沖信號和OUT2輸出的匹配濾波信號，記錄輸出波形；3.用示波器測量緊縮比、主旁瓣比、碼元寬度等參數(shù)；4.再次按鍵K1，改變單脈沖信號碼元寬度，LED4顯示帶小數(shù)點。觀看信號及匹配濾波輸出的改變，測量各項參數(shù)。5.依次按鍵K2～K7，選擇不同的輸入信號，重復(fù)步驟2～4，觀看波形，記錄數(shù)據(jù)。6.關(guān)閉實驗電源，總結(jié)實驗數(shù)據(jù)。五、實驗數(shù)據(jù)將實驗記錄數(shù)據(jù)填入下表，進行分析。序號信號波形碼元寬度壓縮比主旁瓣比1單脈沖2脈沖串331位m序列431位PN截斷碼513位巴克碼64位/7位組合巴克碼7雙路32位互補碼832位互補碼其中一路表6-1數(shù)據(jù)測量

第三大類鎖相與頻率合成類實驗實驗摘要：鎖相與頻率合成類實驗要緊利用超大規(guī)模集成芯片完成鎖相環(huán)和信號發(fā)生器的設(shè)計，通過單片機系統(tǒng)操縱各類功能，該實驗包括的知識點有硬件方面：鎖相與頻率合成技術(shù)，單片機技術(shù)，數(shù)字電路技術(shù)等；軟件方面：匯編語言設(shè)計，C51語言設(shè)計，Protel電路圖設(shè)計等。實驗要求：在做實驗之前，要通過查閱資料明白得該實驗的設(shè)計要求，包括硬件芯片的原理和功能，和單片機方面的知識，熟悉匯編語言和C51語言的編程方式，完成該實驗的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，完成以上內(nèi)容才能進實驗室做實驗。實驗注意事項：遵守實驗室的規(guī)章制度聽從教師的安排注意平安實驗報告撰寫要求：（每人寫一份）實驗?zāi)康膶嶒瀮x器實驗設(shè)計原理（1）硬件設(shè)計原理（2）軟件設(shè)計原理4．實驗步驟5．實驗數(shù)據(jù)搜集與處置6．畫出硬件電路圖或框圖7．試探題8．實驗心得體會實驗七數(shù)字頻率合成器設(shè)計實驗一、實驗?zāi)康?.把握鎖相環(huán)及頻率合成器原理。2.利用數(shù)字鎖相環(huán)CD4046設(shè)計制作頻率合成器。3.利用有源濾波器將CD4046輸出方波。二、實驗原理1．鎖相頻率合成器原理鎖相頻率合成器是基于鎖相環(huán)路的同步原理，由一個高準度、高穩(wěn)固度的參考晶體振蕩器，合成出許多離散頻率。即將某一基準頻率通過鎖相環(huán)（PLL）的作用，產(chǎn)生需要的頻率。原理框圖如圖7-1所示。圖7-1鎖相環(huán)原理框圖由圖7-1可知，晶體振蕩器的頻率經(jīng)固定分頻后取得步進參考頻率，將信號作為鑒相器的基準與分頻器的輸出進行比較，鑒相器的輸出正比與兩路輸入信號是相位差，經(jīng)環(huán)路濾波器取得一個平均電壓，操縱壓控振蕩器（VCO）頻率的轉(zhuǎn)變，使鑒相器的兩路輸入信號相位差不斷減小，直到鑒相器的輸出為零或為某一直流電平，這時稱為鎖定。鎖定后的頻率為即。當預(yù)置分頻數(shù)轉(zhuǎn)變時，輸出信號頻率隨著發(fā)生轉(zhuǎn)變。鎖相環(huán)中的濾波器時刻常數(shù)決定了跟從輸入信號的速度，同時也限制了鎖相環(huán)的捕捉范圍，詳細原理見參考書。2．CD4046鎖相環(huán)工作原理數(shù)字鎖相環(huán)CD4046由兩個鑒相器、一個壓控振蕩器、一個源極跟從器和一個齊納二極管組成。鑒相器有兩個共用輸入端和，輸入端既能夠與大信號直接匹配，又可直接與小信號相接。自偏置電路可在放大器的線性區(qū)調(diào)整小信號電壓增益。鑒相器Ⅰ為異或門，鑒相器Ⅱ為四組邊沿觸發(fā)器。由于CD4046的兩個鑒相器輸入信號均為數(shù)字信號，因此稱CD4046位數(shù)字鎖相環(huán)。壓控振蕩器的輸出除受輸入電壓的操縱外，還受禁止端INH的操縱。當禁止端INH為高電平常，禁止VCO和源極跟從器工作；當禁止端INH為低電平常，許諾VCO和源極跟從器輸出。齊納二極管用來輔助電源電壓的調(diào)整。CD4046的功能框圖和管腳排列如圖7-2所示。圖7-2CD4046管腳排列和功能框圖由于鑒相器Ⅰ為異或門，利歷時要求兩個輸入信號必需都是占空比為50%為對稱方波，現(xiàn)在它的鑒相范圍是，不然線性鑒相范圍將減小。在頻率合成器中，由于環(huán)路中的分頻輸出信號一樣都不是對稱方波，故都不利用鑒相器Ⅰ。鑒相器Ⅱ為四組RS邊沿觸發(fā)器，它具有鑒相/鑒頻的功能，不像鑒相器Ⅰ依托電平鑒相，鑒相器Ⅱ是依據(jù)脈沖邊沿進行鑒相，對占空比無特殊要求，因此常利用在頻率合成器中。鑒相器Ⅱ在不同輸入相位差下輸出的時域波形及鑒相特性曲線如7-3所示。圖7-3鑒相器Ⅱ的時域波形和鑒相特性因為鑒相器Ⅱ輸出級是由一個增強型P溝道場效應(yīng)管和一個增強型N溝道場效應(yīng)管組成的三態(tài)驅(qū)動電路，當管腳上的參考頻率高于管腳上的比較信號頻率時，鑒相器Ⅱ輸出管腳電壓中的直流分量增加，這一增加的直流分量操縱VCO振蕩頻率迅速提高；當?shù)陀诠苣_上的比較信號頻率時，管腳電壓中的直流分量減小，而這一減小的直流分量操縱VCO振蕩頻率迅速降低。管腳的脈沖寬度說明了相位差的大小，當兩個輸入信號相同時，那么輸出呈高阻狀態(tài)。VCO的輸出頻率最高不超過（74HC4046為15MHz左右），決定振蕩頻率的不僅和電源電壓有關(guān)，而且與外接阻容元件有關(guān)。振蕩頻率的按時元件有、和電容，無信號輸入時，VCO將振蕩在最低頻率上。當利用不同電源時，與的關(guān)系、與的關(guān)系、/和/的關(guān)系如圖7-4(a)、(b)、(c)所示。圖7-4VCO頻率特性參數(shù)3．參考測量分析（1）VCO的壓控靈敏度與線性度。前已指出，VCO的壓控靈敏度是單位電壓操縱下，VCO輸出角頻率的轉(zhuǎn)變量，記作，概念為理想的壓控靈敏度應(yīng)是不變的，但實際中的是轉(zhuǎn)變的，如此壓控特性是非線性的，通經(jīng)常使用線性度參量來描述線性度，越接近1越好，的概念為（2）、及的測量與計算為環(huán)路的自然諧振角頻率，為阻尼系數(shù)，為頻率轉(zhuǎn)換時刻（即頻率合成器輸出從某一頻率跳變到另一頻率的時刻）。環(huán)路鎖定后，相位差為常量，鑒相器輸出電壓是直流電壓，環(huán)路濾波器輸出也為直流電壓，用示波器可觀測的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，判定環(huán)路是不是入鎖。改變分頻比的數(shù)值，環(huán)路即刻失鎖，假設(shè)頻差在捕捉帶內(nèi)，經(jīng)短時刻頻率的牽引，又進入鎖定狀態(tài)。頻率合成器從失鎖到入鎖的時刻，稱為頻率轉(zhuǎn)換時刻。實際測量時，可用一低頻TTL信號源接到分頻器預(yù)置碼的某一名上。利用低頻信號源高低電平，取代對應(yīng)的兩個可預(yù)置碼，再用示波器同時觀測信號源波形和點的波形，從示波器上讀出峰值時刻和頻率轉(zhuǎn)換時刻的特點參數(shù)。對應(yīng)波形如圖7-5所示。圖7-5分頻比N改變時的波形圖7-5說明，TTL方波的操縱下，環(huán)路分頻比周期性的改變。鑒相器輸出一個周期性頻率階躍信號，從某一電壓開始（或）。經(jīng)歷一個瞬態(tài)響應(yīng)進程，完成頻率牽引和相位鎖定，達到新的穩(wěn)態(tài)直流電壓（或）。能夠利用和換算出阻尼系數(shù)和自然諧振角頻率。它們別離為CD4046中不包括環(huán)路濾波器，內(nèi)部的鑒相器和壓控振蕩器彼此獨立，利用者可依照不同要求，合理地設(shè)計出環(huán)路濾波器參數(shù)，由于VCO輸入阻抗極高，在設(shè)計環(huán)路濾波器時能夠不考慮其阻礙。因鎖相環(huán)是一個典型的自控系統(tǒng)（即相位反饋操縱系統(tǒng)），和是兩個重要的參量，它對環(huán)路的性能阻礙專門大。過大時，環(huán)路濾波器特性變差，輸出相位噪聲增大；過小，在頻率轉(zhuǎn)換進程中，的瞬態(tài)過沖較大，致使加長。通常取值范圍是由頻率合成器的步進距離和工作頻率范圍，可計算出分頻比的轉(zhuǎn)變范圍。一樣取在。環(huán)路濾波器通常利用積分濾波器和無源比例積分器，如圖7-6(a)和7-6(b)所示。圖圖7-6兩種環(huán)路濾波器（a）RC積分器(b)無源比例積分器關(guān)于利用積分器的頻率合成器，有式中，是鑒相靈敏度，對數(shù)字電路的鑒相器，是固定值。CD4046鑒相器Ⅱ鑒相靈敏度為。電容的取值范圍為。關(guān)于利用無源比例積分器的頻率合成器，有值得提到的是，假設(shè)采納一節(jié)積分器作為環(huán)路濾波器，它的穩(wěn)固性、頻率捕捉范圍等性能較差，因此應(yīng)用較少。無源比例濾波器具有兩個獨立的時刻常數(shù)，因此和大體上能獨立選擇，這種靈活性使它取得普遍應(yīng)用。4．整體設(shè)計方案整體設(shè)計方案的參考框圖如圖7-7所示。方案要求頻率合器的工作范圍在100~160kHz,輸出為方波等。數(shù)字鎖相環(huán)CD4046中的VCO輸出為單極性多諧振蕩方波，因CD4046的管腳5加低電平常VCO起振、加高電平停振（VCO高阻輸出）。CD4046中集成了兩個鑒相器，即PDⅠ和PDⅡ，前者為異或門（不用），后者是觸發(fā)器型鑒相器（選用）。分頻器限定采納計數(shù)器CD4522。采納三片CD4522組成分頻器時，每片的預(yù)置端（ABCD）要置入數(shù)碼。三、要緊設(shè)計指標1．輸出頻率范圍：100~160kHz，頻率步進距離10kHz。圖7-7整體設(shè)計框圖2．限定利用數(shù)字鎖相環(huán)CD4046，要求輸出信號為方波。3．在頻率轉(zhuǎn)換10kHz步進距離時，要求頻率轉(zhuǎn)換時刻小于5ms。4．設(shè)計利用5V穩(wěn)壓電源。四、設(shè)計內(nèi)容要求1．自行設(shè)計全數(shù)電路，初步計算確信鎖相環(huán)CD4046外圍元件參數(shù)。2．制作與調(diào)試電路，測量VCO壓控特性和靈敏度，測量頻率轉(zhuǎn)換時刻，測出各個鎖定頻率點，完成設(shè)計功能指標要求。3．繪制出整體電路，整理測試數(shù)據(jù)，并與計算數(shù)據(jù)對照，假設(shè)有不同分析其緣故。4．寫出設(shè)計報告。報告內(nèi)容要求電路、數(shù)據(jù)齊全，按時上交。實驗八鎖相環(huán)電路參數(shù)測試實驗一、實驗?zāi)康?.把握VCO壓控振蕩器的大體工作原理，加深對大體鎖相環(huán)工作原理的明白得；2.熟悉鎖相式數(shù)字頻率合成器的電路組成與工作原理。二、電路工作原理本單元可做大體鎖相環(huán)和鎖相式數(shù)字頻率合成器兩個實驗。整體框圖如圖8-1，電路原理圖如8-2所示。1．4046鎖相環(huán)芯片介紹4046鎖相環(huán)的功能框圖如圖8-3所示。外引線排列管腳功能簡要介紹：第1引腳（PD）：相位比較器2輸出的相位差信號，為上升沿操縱邏輯。第2引腳（PD）：相位比較器1輸出的相位差信號，它采納異或門結(jié)構(gòu)，即鑒相特性為PD＝PD⊕PD第3引腳（PD）：相位比較器輸入信號，通常PD為來自VCO的參考信號。第4引腳（VCO）：壓控振蕩器的輸出信號。第5引腳（INH）：操縱信號輸入，假設(shè)INH為低電平，那么許諾VCO工作和源極跟從器輸出；假設(shè)INH為高電平，那么相反，電路將處于功耗狀態(tài)。第6引腳（CI）：與第7腳之間接一電容，以操縱VCO的振蕩頻率。第7引腳（CI）：與第6腳之間接一電容，以操縱VCO的振蕩頻率。第8引腳（GND）：接地。第9引腳（VCO）：壓控振蕩器的輸入信號。第10引腳（SF）：源極跟從器輸出。第11引腳（R）：外接電阻至地，別離操縱VCO的最高和最低振蕩頻率。第12引腳（R）：外接電阻至地，別離操縱VCO的最高和最低振蕩頻率。第13引腳（PD）：相位比較器輸出的三態(tài)相位差信號，它采納PD、PD上升沿操縱邏輯。第14引腳（PD）：相位比較器輸入信號，PD輸入許諾將左右的小信號或方波信號在內(nèi)部放大并再通過整形電路后，輸出至相位比較器。第15引腳（V）：內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓二極管負極，其穩(wěn)壓值≈5～8V，假設(shè)與TTL電路匹配時，能夠用來作為輔助電源用。第16管腳（V）：正電源，通常選+5V,或+10V，+15V。2．VCO壓控振蕩器 所謂壓控振蕩器確實是振蕩頻率受輸入電壓操縱的振蕩器。4046鎖相環(huán)的VCO是一個線性度很高的多諧振蕩器，它能產(chǎn)生專門好的對稱方波輸出。電源電壓工作在3V~8V之間。本電路取+5V電源。它利用由門電路組成的RS觸發(fā)器操縱一對開關(guān)管連番地向按時電容正向充電和反向充電，從而形成自激振蕩，振蕩頻率與充電電流成正比。與的容量成反比，振蕩頻率不僅與按時電容、外加操縱電壓有關(guān)而且還與電源電壓有關(guān)，與外接電阻、的比值也有關(guān)。3．鎖相式數(shù)字頻率合成器的工作原理 從圖2可見，U402（MC14522）、U403（MC14522）、U404（MC14522）為三級可預(yù)置分頻器，全數(shù)采納可預(yù)置BCD碼同步1/N計數(shù)器MC14522，可由4位小型撥動開關(guān)選擇。U40二、U403、U404別離對應(yīng)著總頻比N的百位、十位、個位分頻器，U40二、U403、U404的輸入端一方面SW40一、SW40二、SW403別離置入分頻比的百位數(shù)、十位數(shù)、個位數(shù)以8421BCD碼的形式輸入。 利歷時按所需分頻比N預(yù)置好SW40一、SW40二、SW403的輸入數(shù)據(jù)，，3位程序分頻器MC14522的數(shù)據(jù)輸入端~別離接有510K的下拉電阻，當SW40一、SW40二、SW403沒有對系統(tǒng)單元數(shù)據(jù)輸入時，即開路狀態(tài)時，現(xiàn)在下拉電阻把數(shù)據(jù)輸入端置為“0”電平；鐺鐺SW40一、SW40二、SW403工作時，那么有相應(yīng)的“1”電平輸入到數(shù)據(jù)輸入端，使之置于“1”電平狀態(tài)，以便程序分頻器進行處置。 在圖2電路圖中，當程序分頻器的分頻比置成1，也確實是把SW40一、SW402均斷開，SW403置成“0001”狀態(tài)。這時，該電路確實是一個大體鎖相環(huán)電路。 當三級程序分頻器的N值可由外部輸入進行編程操縱時，該電路確實是一個鎖相式數(shù)字頻率合成器電路。輸入頻率轉(zhuǎn)換開關(guān)K401進行選擇，當K401的2與1相連接，那么把來自實驗一的時鐘信號發(fā)生器1KHz方波信號輸入到該14引腳；假設(shè)K401的2與3相連接，那么必需用外接信號源所產(chǎn)生的1KHz方波信號。通過信號插座S401引入。當鎖相環(huán)鎖定后，可取得： 其中， 代入得：，移項得：由此可知，當固定不變時，改變?nèi)壋绦蚍诸l器的分頻比N，VCO的振蕩輸出頻率（也確實是頻率合成器的輸出頻率）也取得相應(yīng)的改變。如此，只要輸入一個固定信號頻率，即可取得一系列所需要的頻率，其頻率距離等于，那個地址為1KHz。選擇不同的，能夠取得不同的頻率距離。在用實驗一信號發(fā)生器產(chǎn)生的時鐘信號頻率時，其準確頻率為，而不是1KHz。因此通過三級程序分頻器與鎖相實驗后，VCO壓控振蕩器的輸出頻率應(yīng)當是的N倍數(shù)。三、實驗內(nèi)容1．大體鎖相環(huán)實驗（1）觀看鎖相環(huán)路的同步進程；（2）觀看鎖相環(huán)路的跟蹤進程；（3）觀看鎖相環(huán)路的捕捉進程；（4）測試環(huán)路的同步帶與捕捉帶，并計算它們的帶寬。2．鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗（1）在程序分頻器的分頻比N=一、10、100三種情形下：①測量輸入?yún)⒖夹盘柕牟ㄐ?；②測量頻率合成器輸出信號的波形。（2）測量并觀看最小分頻比與最大分頻比。四、實驗步驟及注意事項1．大體鎖相環(huán)實驗（1）觀看環(huán)路的同步進程鎖相環(huán)在鎖定狀態(tài)下，若是輸入信號參考頻率維持不變，而VCO的振蕩頻率發(fā)生那么漂移致使時，那么在環(huán)路的反饋操縱作用下，使恢復(fù)仍然維持=的狀態(tài)，這種進程叫做同步進程。①實驗方式:將圖7-2電路圖中SW40一、SW40二、SW403設(shè)置為001狀態(tài)，現(xiàn)在分頻比為U=1。即將程序分頻器的分頻比設(shè)置為1(預(yù)置為001狀態(tài))。實驗電路的鎖相環(huán)即成為大體鎖相環(huán)。其=/N=/I=②之外接信號源作參考信號(加入方波信號源。接通K401的二、3)。令信號源輸出一個參考頻率為50KHz、電平為TTL的參考信號加于相位比較器的端。在TP402處測量，咱們可看到，這時通過環(huán)路的反饋操縱，將偏離前項測出的的參考值而趨向于，直至也等于外接信號源的參考頻率值50KHz。這確實是同步進程，大體鎖相環(huán)被外加信號源鎖定在的頻率上。（2）觀看環(huán)路的跟蹤進程鎖相環(huán)進入鎖定狀態(tài)后，若是(現(xiàn)等于VCO的振蕩頻率)不變，輸入?yún)⒖碱l率發(fā)生飄移，那么在環(huán)路的反饋操縱作用下，使跟從著的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變，以維持=的環(huán)路鎖定狀態(tài)。這種進程叫做跟蹤進程。實驗方式：在上面實驗的基礎(chǔ)上將外加信號源的頻率(參考頻率)逐次改變(模擬產(chǎn)生的漂移)，每改變一次，觀看一次的數(shù)值，能夠看到，隨的轉(zhuǎn)變=的狀態(tài)（3）觀看環(huán)路的捕捉進程鎖相環(huán)在初始失鎖狀態(tài)下，通過環(huán)路反饋操縱作用，使VCO的振蕩頻率調(diào)整=的鎖定狀態(tài)，那個進程稱為捕捉進程。實驗方式：電路連接同前項，TP402處接頻率計，測量的數(shù)值，實驗開始時將信號源頻率()遠離VCO的中心振蕩頻率(如令高于或遠低于1KHz)使環(huán)路處于失鎖狀態(tài)，即，然后將從高端緩慢地降低(或從低端緩慢地升高)，當降低(或升高)到必然數(shù)值，頻率計顯示等于時即捕捉到了環(huán)路進入鎖定狀態(tài)。（4）測試環(huán)路的同步帶與捕捉帶實驗方式：電路連接同前項，令信號源頻率(fR)等于50KHz。這時環(huán)路應(yīng)處于鎖定狀態(tài)（fv＝fR）。①慢慢增加信號源的頻率，直至環(huán)路失鎖（fv＝fR）。現(xiàn)在信號源的輸出頻率確實是同步帶的最高頻率。②慢慢減小信號源的頻率，直到環(huán)路鎖定，現(xiàn)在信號源的輸出頻率確實是捕捉帶的最高頻率。③繼續(xù)慢慢減小信號源的頻率，直至環(huán)路失鎖，現(xiàn)在信號源的輸出頻率確實是同步帶的最低頻率。④慢慢增加信號源的頻率，直至環(huán)路鎖定?，F(xiàn)在信號源的輸出頻率確實是捕捉帶的最低頻率。2．鎖相式數(shù)字頻率合成器實驗（1）測量UR的頻率和波形。用示波器頻率計在TP401上測量，應(yīng)為f＝1KHz，高電平＝，低電平＝0V。（2）測量UV的頻率和波形（在TP402）正常工作時UV的波形應(yīng)和UR同頻同相，但UV的占空比與程序分頻器的分頻比N有關(guān)。假設(shè)N＝1時（K420接2－3腳），與UR的波形相同；N不等于1時（K402接1－2腳），UV波形的占空比小于50％。（3）檢查最小分頻比和最大分頻比。將SW403，SW402都置于0位，SW401從置入十進制數(shù)9開始，慢慢減置數(shù)值，當輸出頻率不符合f0＝NfR的關(guān)系時，表示fR已不能鎖定VCO的頻率。頻率合成器已不能正常工作。那么能知足f0＝NfR關(guān)系式的最小的分頻比值，即為該合成器的最小分頻比。同理，增大N的數(shù)值能夠知足f0＝NfR關(guān)系式的最大的分頻比值，即為該合成器的最大分頻比。本合成器分頻比的范圍知足1～999。五、測量點說明TP401：VCO輸入?yún)⒖夹盘?，即相位比較器輸入信號，它由開關(guān)K401進行選擇：1腳與2腳相連：外加方波信號TTL電平由S103輸入端輸入；2腳與3腳相連：由CPLD內(nèi)時鐘信號電路送入1KHz的方波信號作為VCO的輸入?yún)⒖夹盘栞斎搿P402：相位比較器輸入信號，通常PD為來自VCO的參考信號。TP403：VCO壓控振蕩器的輸出信號。

實驗九DDS信號源的設(shè)計一、設(shè)計目的學(xué)習(xí)把握DDS信號源的原理設(shè)計。了解專用AD9850集成電路芯片功能，用專用芯片設(shè)計DDS信號源。學(xué)習(xí)把握一種單片機的編程技術(shù)與單片機的外圍電路設(shè)置，實現(xiàn)與專用芯片的對接。二、DDS工作原理簡介目前頻率合成要緊有三種方式：直接模擬電路實現(xiàn)法、鎖相環(huán)合成法和直接數(shù)字合成法。直接模擬電路實現(xiàn)法利用倍頻、分頻、混頻及濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個所需的頻率。該方式頻率轉(zhuǎn)換時刻快，可是體積大、功耗大，目前已有慢慢被淘汰的趨勢。鎖相環(huán)合成法通過鎖相環(huán)完成頻率的加、減、乘、除運算。該方式結(jié)構(gòu)簡化、便于集成，且頻譜純度高，目前利用比較普遍，但存在高分辨率和快轉(zhuǎn)換速度之間的矛盾，一樣只能用于大步進頻率合成技術(shù)中。直接數(shù)字合成法DDS是最近幾年來迅速進展起來的一種新的頻率合成方式。該技術(shù)從相位概念動身來對頻率進行合成，采納數(shù)字取樣技術(shù)，將參考信號的頻率、相位、幅值等參數(shù)轉(zhuǎn)變成一組取樣函數(shù)，然后直接運算出所需要的頻率信號。這種方式簡單靠得住、操縱方便，且具有很高的頻率分辨率和轉(zhuǎn)換速度，超級適合快速頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)的要求。因直接數(shù)字合成法是采納數(shù)字化技術(shù)，在時鐘作用下，通過相位累加器將頻率操縱字進行線性相位累加產(chǎn)生的轉(zhuǎn)變量，直接產(chǎn)生各類不同頻率的一種頻率合成方式。因此輸出信號中含有大量雜散譜線，超寬頻帶信號也將碰到諧波電平高，從而難以抑制諧波等問題。這些問題嚴峻阻礙了DDS輸出信號的頻譜純度，也成為限制其應(yīng)用的要緊因素。DDS的結(jié)構(gòu)原理圖如圖9—1所示，它由相位累加器、正弦ROM表、D∕A轉(zhuǎn)換器等組成。參考頻率由一個穩(wěn)固的晶體振蕩器產(chǎn)生，用它來同步整個合成器的各個組成部份。相位累加器由位加法器與位相位寄放器級聯(lián)組成，類似于一個簡單的加法器。每來一個時鐘脈沖，加法器將操縱字與累加寄放器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送到累加寄放器的數(shù)據(jù)輸入端，以使加法器在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率操縱字相加。如此，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率操縱字進行線性相位累加。由此能夠看出，相位累加器在每一個參考頻率輸入時，把頻率操縱字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)確實是合成信號的相位，相位累加器的輸出頻率確實是DDS輸出的信號頻率。圖9-1鎖相環(huán)頻率合成器原理框圖用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器（ROM）的相位取樣地址。如此就能夠夠把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值(二進制編碼)經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值的轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到D∕A轉(zhuǎn)換器，D∕A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬輸出信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。DDS的輸出頻率、參考時鐘頻率、相位累加器長度和頻率操縱字之間的關(guān)系為式中，為參考時鐘頻率；是相位累加器長度；為頻率操縱字。由于DDS的最高輸出頻率受到奈奎斯特抽樣定理限制，因此以上計算的理論輸出頻率值為50％。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計難度和對輸出信號雜散的抑制，實際的輸出頻率帶寬只能達到40％左右。1．專用集成電路AD9850原理簡介此刻流行的DDS產(chǎn)品以AnalogDevices公司的較多。直接數(shù)字頻率合成具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、輸出相位持續(xù)和全數(shù)字化、易于集成、易于操縱等優(yōu)勢，是通信系統(tǒng)中各類頻率合成器的理想選擇。其應(yīng)用范圍包括頻率合成器、可編程時鐘發(fā)生器、雷達和掃描系統(tǒng)的FM調(diào)制源和測試和測量裝置等。2．AD9850要緊性能AD9850是AD公司推出的高集成度DDS頻率合成器。它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，可實現(xiàn)全數(shù)字編程操縱的頻率合成器，接上周密時鐘源時，可產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程操縱的模擬正弦波。此正弦波可直接用作信號源或轉(zhuǎn)換成方波用作時鐘。AD9850采納先進的CDMS工藝，在3．3V供電時，典型總功耗為155mW；5V供電時，總功耗最大為480mW。最高參考時鐘為125MHz，輸出頻率分辨率可達0．0291Hz，許諾產(chǎn)生的最高輸出頻率為62．5MHz。芯片內(nèi)部提供5bit數(shù)字操縱相位調(diào)制，輸出的相位轉(zhuǎn)變增量可為180、90、45、22．5、11．25的任意組合。利用芯片內(nèi)部的高速比較器，可將通過濾波器的D/A輸出正弦波轉(zhuǎn)換為低抖動的方波。AD9850有32位相位累加器，截斷成14位，輸入到正弦（ROM）查詢表，從查詢表輸出給D∕A。D∕A的輸出是兩個互補的模擬電流，在管腳12處接一個電阻，使?jié)M量程輸出為10～20mA電流，通過濾波器輸出正弦波。圖9—2是AD9850的內(nèi)部框圖及管腳排列圖，各管腳功能如下。圖9-2AD9850的內(nèi)部框圖及管腳排列圖管腳l～4和管腳25～28(D0~D7)：8bit數(shù)據(jù)輸入端。用于下載32bit頻率調(diào)劑字和8bit相位操縱字。D7也可作為40bit串行數(shù)據(jù)字的輸入端。管腳5和管腳24(DGND)：數(shù)字地。管腳6和管腳23(DVDD)：數(shù)字電源。管腳7(W—CLK)：字裝載時鐘，用于裝載并行或串行的頻率∕相位∕操縱字。管腳8(FQ—UD)：頻率更新，那時鐘上升沿到來時，DDS將更新輸入寄放器的頻率∕相位，然后將指針指向字“0”。管腳9(CLKIN)：參考時鐘輸人，能夠是一個持續(xù)的脈沖串或是在1∕2VCC偏壓下的正弦波輸入。管腳10、管腳19(AGND)：模擬地。管腳1一、管腳18(AVDD)：模擬電壓端。管腳12(RSET)：DAC外接電阻，該電阻決定DAC輸出電流的最大值。關(guān)于典型應(yīng)用(=10mA)時，RSET的值為，另一端連接到地線。外接電阻RSET與DAC輸出電流的關(guān)系為=32×∕RSET)。管腳13(QOUTB)：比較器的反相輸出端。管腳14(QOUT)：比較器的同相輸出端。管腳15(VINN)：比較器的反相輸入端。管腳16(VINN)：比較器的同相輸入端。管腳17(BL)：DAC的基準電壓參考值，引線與內(nèi)部連接。管腳20(IOUTB)：DAC的補償模擬輸出端。管腳21(IOUT)：DAC的模擬電流輸出端。管腳22(RESET)：主復(fù)位端，當該端是高電平常，除輸入寄放器外，所有寄放器將被清零，DAC輸出將在下一個時鐘周期后變成COS(0)。DDS電路本質(zhì)上是一個數(shù)字分頻器，其步進分辨率等于參考時鐘頻率除以，為頻率操縱碼的bit寬度。相位累加器是一個可變步進的計數(shù)器，每一個時鐘脈沖，其值增加一次。當計數(shù)器溢出時，它會自動歸零，使得信號波形輸出一直維持持續(xù)。頻率操縱字操縱計數(shù)器的計數(shù)增量，也確實是每一個時鐘周期相位的增加值。相位增量越大，那么相位轉(zhuǎn)變速度越快，輸出頻率也就越高。AD9850采納一種專有的算法將截斷為14bit的相位值轉(zhuǎn)換為余弦值。這種獨特的算法采納很小容量的ROM查找表和DSP技術(shù)來實現(xiàn)，這使得AD9850的體積和功耗都很小。輸出信號頻率、參考時鐘、頻率操縱碼之間的關(guān)系為式中，=32bit操縱字；=輸人參考時鐘頻率MHz。由于AD9850輸出的是一個采樣信號，因此它的輸出頻譜符合奈奎斯特采樣定律。其輸出頻譜包括主頻譜和鏡像頻率。鏡像頻率等于時鐘頻率的整數(shù)倍加(減)輸出頻率。由于D∕A量化的緣故，鏡像頻率的幅值以sin()÷為包絡(luò)滾降轉(zhuǎn)變。一樣能夠在D∕A輸出端與比較器輸入端之間用一個低通濾波器來排除鏡像頻率的阻礙。顯然，輸出信號頻率與參考時鐘頻率之間的關(guān)系應(yīng)該認真考慮，以防沒必要要的錯誤。3．AD9850的編程AD9850包括一個40bit寄放器，用來操縱32bit頻率操縱字、5bit相位調(diào)整字和斷電模式。寄放器能夠用并行或串行方式來寫入。在并行模式下，一個8bit總線用來寫寄放器?，F(xiàn)在40bit寄放器分為5個8bit寄放器。W—CLK和FQ—UD信號用來尋址和加載這些寄放器。在FQ—UD的上升沿處，40bit操縱字被整體置入并生效，同時內(nèi)部地址指針被復(fù)位指向第一個8bit寄放器。在W—CLK的上升沿處，8bit數(shù)據(jù)D[7～0]被寫入地址指針指向的寄放器，然后地址指針自動移動到下一個寄放器。在5次寫操作以后，多余的寫操作將被忽略，除非芯片被復(fù)位，或FQ—UD的上升沿復(fù)位地址指針。在串行模式下，每一個W—CLK上升沿寫入40bit中的1bit數(shù)據(jù)(管腳25信號D7)。所有的40bit數(shù)據(jù)都被寫入后，一個FQ—UD的脈沖使這些寫入的值生效。操縱數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容參見表9—1和表9—2。Worddata[7]data[6]data[5]data[4]data[3]data[2]data[1]data[0]W0Phase-b4(MSB)Phase-b3Phase-b2Phase-b1Phase-b0(LSB)Power-DownControlControlW1Freq-b31(MSB)Freq-b30Freq-b29Freq-b28Freq-b27Freq-b26Freq-b25Freq-b24W2Freq-b23Freq-b22Freq-b21Freq-b20Freq-b19Freq-b18Freq-b17Freq-b16W3Freq-b15Freq-b14Freq-b13Freq-b12Freq-b11Freq-b10Freq-b9Freq-b8W4Freq-b7Freq-b6Freq-b5Freq-b4Freq-b3Freq-b2Freq-b1Freq-b0(LSB)