電子科技大學博士/碩士學位論文電子科技大學工程碩士學位論文開題報告學位論文題目:基于ＤＤＳ技術高穩定高精度信號源的討論設計與實現工程領域名稱：學號:姓名:校內導師姓名：企業方導師姓名：填表日期：２010年日題目：基于DDS技術高精度信號源的討論設計與實現課題背景與意義（1)選題來源、選題依據、國內外討論動態;本課題來源于實驗室討論項目《高精度高穩定性信號源的討論》,目的是設計出能夠供應高精度和高穩定信號的函數信號發生器。本項目的技術核心是基于ＤDS和嵌入式系統技術的軟硬件系統的研發。在電子信息科學領域,常常需要波形、頻率、幅度都可調節的電信號，用于產生這種電信號的電子儀器稱作信號發生器。作為一種為電子測量和計量供應電信號的設備，它和萬用表、示波器、頻率計等儀器一樣,是最一般、最基本，也是應用最廣泛的電子儀器之一，幾乎全部電參量的測量都需要用到信號發生器。由于函數信號發生器是電子信息科學領域和實驗室的常用設備之一，在教學、科研、生產、生物工程、遙控遙測等等眾多領域都有著廣泛的應用.隨著電子技術的進展，人們對信號源的頻率分辨率、頻率范圍、頻譜純度等提出越來越高的要求。而傳統的頻率合成方法設計的信號源在功能、精度等方面存在頻率精度低、分辨率不高、頻帶窄、輸出波形有限等缺陷和不足,不能滿意實際要求。而高精度的信號源是各種測試和實驗過程中不行缺少的工具,在通信、雷達、測量、掌握、教學等領域應用十分廣泛。自從上世紀40年月惠普為美國海軍實驗室開發出第一臺信號發生器開頭,信號發生器始終隨著電子技術、半導體技術和計算機技術的進展而進展，幾乎成為這些技術進展的一個縮影.從技術上看，信號發生器經歷了由模擬信號發生器、數字信號發生器到虛擬信號發生器的進展過程。進展到今日，信號發生器的種類已經多種多樣,包括正弦信號發生器、脈沖發生器、函數發生器、掃描發生器、任意波形發生器等。依據應用范圍又可分為專用信號發生器和通用信號發生器。傳統的信號發生器一般基于模擬技術。它首先產生肯定頻率的正弦信號，然后再對這個正弦信號進行處理,從而輸出其他波形信號（例如通過比較器可以輸出方波信號,對方波信號通過積分器可以生成三角波信號等）。這種技術的關鍵在于如何產生特定頻率的正弦信號。早期的信號發生器大都采納諧振法，后來消滅采納鎖相頻率合成技術的信號發生器。但基于模擬技術的傳統信號發生器能夠產生的信號類型格外有限,一般只能生成正弦波、方波、三角波等少數的規章波形。隨著電子技術，尤其是軍事電子技術革新帶來的新體制武器裝備的進展與應用，電子信號頻率上限、信號帶寬和調制帶寬不斷拓展,調制種類不斷增加，波形任意化程度加劇，頻率分辨力和捷變速度大幅提高。這一信號日益簡潔化的趨勢，對作為電子測試領域兩大根本——信號產生與獵取技術，提出了新的挑戰。以高速數字采樣為核心的時域測試正在成為現代電子測試技術的主流方向，波形產生與獵取技術也不例外。但是，由于受原理、器件等因素限制，基于采樣的波形產生與獵取技術面臨著如何不斷提高采樣率和采樣精度，如何盡可能提高波形質量（無失真地產生和獵取信號),現在世界各國對波形產生與獵取技術著眼于高速任意波形發生器、寬帶高精度數字化儀、寬帶數字存儲示波器等高性能測試儀器的技術實現,這些都是基于直接數字頻率合成（ＤDS）技術來實現高采樣率和采樣精度,盡可能提高波形質量（無失真地產生和獵取信號)產生所需要波形。采納可變時鐘和計數器尋址波形存儲器的任意波形發生器在一段時期內曾得到廣泛的應用，其取樣時鐘頻率較高且可調節,然而這種波形發生器對硬件要求比較高，需要高性能的鎖相環和截止頻率可調的低通濾波器，且頻率分辨率低，頻率切換速度較慢，已經逐步退出市場。目前市場上的任意波形發生器主要采納直接數字合成（DiｒectDigｉtaｌSyｎｔｈesuzｅr，ＤＤS)技術，這種函數信號發生器不僅可以產生可變頻的載頻信號、各種調制信號,同時還能和計算機協作產生用戶自定義的有限帶寬的任意信號，可以為多領域的測試供應寬帶寬、高分辨率的測試信號.函數信號發生器進展到今日，從產品結構形式來劃分，主要包含三種:（１)獨立儀器結構形式獨立儀器結構形式是把函數信號發生器設計成單臺儀器的形式,其優點是精度高,可獨立工作。（2）PC總線式ＰC（PersoｎａlComputｅr）總線式是將函數信號發生器板卡直接插在PC機的總線擴展槽或通過外部接口連接到PC總線上，利用ＰC機來掌握函數信號發生器的工作狀態,其優點是可以充分利用PC機的軟硬件資源，在波形數據處理、波形參數修改方面，計算機有明顯的優勢。（3)VXＩ模塊式VXＩ模塊是一種新型的模塊化儀器,它必須插在ＶXI總線機箱上才能使用ＶＸＩ總線機箱通過GPＩB或者RS．2３２C等接口與計算機相連,VXＩ模塊儀器對組成自動測試系統格外有用,各個公司的VXＩ卡式儀器模塊可以自由組合使用。選題在理論討論或實際應用方面的意義和價值；從國內已有的高精度高穩定性信號源產品來看,無論是從種類、性能還是生產規模上均與國外同類產品存在較大差距。因此，加緊高精度高穩定性信號源相關技術的討論是格外必要的,對進展我國電子行業的進展有著格外重要的影響，并且具有寬闊的進展前景，若能與國外同類產品保持在性價比上的優勢,將可以打破國外的技術和市場壟斷地位。如何降低高精度高穩定性信號源的成本并提高其性能指標是本課題討論的重點.本文結合DＤＳ技術、ＵSB2。０總線接口技術,并借助微掌握器等技術實現一款成本低、便攜式、可擴展的高精度高穩定性信號源。在學習、借鑒國外先進技術的同時，討論、掌握基于DDS技術的任意波形發生器的基本組成和關鍵技術，為研制高性能、多通道任意波形發生器打下堅實的基礎，為早日實現國產任意波形發生器達到世界先進水平而努力。本課題討論的高精度高穩定性信號源的性能指標主要包括：(１）通道數:2個,一個作為輸出通道,一個作為外輸入調制通道；(2）輸出波形：正弦波、占空比可調方波、三角波、鋸齒波等;(３)調制性能:調幅、調頻、幅移鍵控、頻移鍵控、相移鍵控；（5)幅值分辨率:１0bitｓ;（６）頻率分辯率：O。０5Hz；(7)系統參考時鐘頻率：3０0MHz；（8)頻率范圍：正弦波，０。05Hz~5０MHz；（9）負載能力:5０Ω±１0%;（10）幅度范圍:.３V~+3V；(1１)偏置范圍:.1．4Ｖ～+1。4V；(12)頻率精準度：≤士O．１%在功能上，該高精度高穩定性信號源、應具有良好的人機界面,能便捷操作，牢靠連接，使用便利，能夠輸出正弦波、方波、三角波、鋸齒波等常規波形，對某些信號的占空比可進行調節。自身討論工作主要討論了基于DDS的高精度高穩定性信號源的設計與實現，在分析DDS基本原理的基礎上，對ＤＤＳ產生的噪聲和雜散進行抑制，利用相關的開發工具,開發出了高精度高穩定性信號源的硬件平臺和軟件界面。本文所述的高精度高穩定性信號源的參考信號源由原子鐘供應１0MＨz標準信號經倍頻后送給專用的直接數字頻率合成芯片ＡD９85４。系統掌握采納TＩ公司的MＳＣ１２1０單片機作為系統的主控核心。顯示采納LCＤ顯示,可以顯示漢字、英文、數字,分率高，便利人機對話.輸入采納４×4矩陣鍵盤。該高精度高穩定性信號源應具有成本低、可擴展、符合人體工程學、人機界面友好等特點，又具備傳統臺式任意波形發生器的優良性能,能夠產生各種常規波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，也能由用戶自定義的任意波形，另外它還可以產生噪聲信號和調幅、調頻及多種數字調制信號。課題實現的最終目標和討論成果形式本課題的最終目標是開發設計出一款高精度高穩定性的信號源。討論成果形式為論文、軟件、硬件.?文獻綜述信號源的進展及現狀信號源是電子信息科學領域和實驗室的常用設備之一，為電子測量和計量供應基準信號,在國防、教學、科研、生產、生物工程、遙控遙測等等眾多領域都有著廣泛的應用。自從上世紀4０年月惠普為美國海軍實驗室開發出第一臺信號發生器開頭，信號發生器始終隨著電子技術、半導體技術和計算機技術的進展而進展.二十年月，當電子設備剛開頭消滅時,信號源就消滅了。隨著通信和雷達技術的進展，四十年月消滅了主要用于測試各種接收機的標準信號發生器,使信號發生器從定性分析的測試儀器成為定量分析的測量儀器。同時還消滅了可用來測試脈沖電路或用作脈沖調制器的脈沖信號發生器.由于早期的信號發生器機械結構比較簡潔，功率比較大，電路比較簡潔（與數字儀器、示波器等相比），因此進展速度較慢。直到1964年才消滅了第一臺全晶體管的信號發生器。六十年月以來，信號發生器有了飛快的進展,消滅了函數發生器、掃頻信號發生器、合成信號發生器、程控信號發生器等新種類。從技術上看，信號發生器經歷了由模擬信號發生器、數字信號發生器到虛擬信號發生器的進展過程.進展到今日，信號發生器的種類已經多種多樣,包括正弦信號發生器、脈沖發生器、函數發生器、掃描發生器、任意波形發生器等。依據應用范圍又可分為專用信號發生器和通用信號發生器。早期的信號發生器大都采納諧振法,后來消滅采納鎖相頻率合成技術的信號發生器。但基于模擬技術的傳統信號發生器能夠產生的信號類型格外有限,一般只能生成正弦波、方波、三角波等少數的規章波形。隨著電子技術,尤其是軍事電子技術革新帶來的新體制武器裝備的進展與應用,電子信號頻率上限、信號帶寬和調制帶寬不斷拓展，調制種類不斷增加，波形任意化程度加劇,由于頻率源是現代電子系統的重要組成部分，各類電子系統對頻率源的要求越來越高，對頻率分辨率、頻譜純度、體積及功耗等多種指標提出了更高的要求,傳統的頻率源已無法滿意各類電子系統對頻率源的要求。以高速數字采樣為核心的時域測試正在成為現代電子測試技術的主流方向.頻率合成技術從20世紀30年月末開頭建立，迄今為止，已有近70年的歷史，頻率合成是時頻測控技術中的重要技術之一。早期的合成器是出一組晶體組成的晶體振蕩器,需要多少個頻率,就得有多少個晶體,晶體由人工來接入和斷開，它的頻率精準度和穩定度由晶體的精準度和穩定度來決定，基本與電路無關。隨后消滅了直接頻率合成（ＤS—－ＤirｅctＳynｔｈｅsis)的方法,直接法被稱為第一代頻率合成技術。它利用混頻器、倍頻器和分頻器完成對參考頻率的加減乘除,產生出各種新頻率，再用濾波器和電子開關分別選出所需的頻率來，經過放大器、濾波器后輸出，其中混頻器可視為對頻率進行加減，倍頻器和分頻器可視為對頻率進行相乘和相除。這種方法的相位噪聲好壞主要決定于晶振的質量，雜散決定于濾波器的好壞和電磁兼容性設計的合理程度，跳頻時間主要決定于電子開關的速度.其結構簡潔、難以集成、輸出頻譜純度不高、寄生重量多其次代頻率合成技術是應用鎖相環(PＬL—Pha∞ＬｏckｅdLoｏp）的頻率合成方法。20世紀5０年月消滅了模擬鎖相環技術，模擬鎖相環可等效為窄帶輕基波器，所以這種頻率合成雜散性能較好，由于主要使用正弦鑒相器,所以系統相位噪聲性能較好，但這種方法電路簡潔,體積較大,成本較高。在２0世紀60年月又相繼消滅了全數字鎖相環和數模混合的鎖相環，使該技術得到了飛快進展.數字鎖相環采納在鎖相環內插入數字分頻器和數字鑒相器的方法，分頻器常用的有:程控分頻器、吞除脈沖分頻器和小數分頻器.數字鎖相環除具有數字電路的優點外,還解決了若干模擬鎖相環遇到的難題,如直流零點漂移、部件飽和、必須進行初始校準等,此外還具有對離散樣值的實時處理能力。它具有體積小、成本低、頻率步進小、牢靠性高和可實現大規模集成等優點。數字鎖相頻率合成技術結構簡潔，頻率也可以做得很高,但同時也具有模擬鎖相環的缺點，頻率轉換時間長、環路抗干擾能力差等諸多不足.1９71年3月，Ｊ。Tiemeｙ和ｃ.M。Tａder等人首次提出了以全數字技術、從相位概念動身直接合成所需頻率的直接數字頻率臺成（DDＳ——DiｒｅｃtDigitalＳynthesis)技術,標志著頻率合成技術進入到第三代.近二十年來，隨著大規模集成(LＳI）電路和超大規模集成（VLSI）電路技術的飛快進展以及高速數/模換器(ＤAC）的消滅,直接數字式頻率合成技術得到了飛速進展，它在頻率轉換時間、相位連續性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標方面,已遠遠超過了傳統頻率合成技術所能達到的水平，具有輸出頻率轉換時間（可達納秒量級）短、頻率分辨率高（可達微赫茲級）、輸出相位噪聲低、集成度高、功耗低、體積小、實施調制靈敏、性價比高、生產重復性好等優點，因此它可以滿意現代電子系統對頻率源各指標要求。近年來，隨著ＶLSＩ、ＦPGA、CPLD等技術的消滅以及對DDS理論的進一步探討,使DDS技術得到飛速進展,它將先進的數字處理技術和方法引入信號合成領域，是近年來隨著數字集成電路和計算機的進展而消滅的一種新的頻率合成技術。它是從相位的概念動身進行頻率合成,采納數字取樣技術,將參考信號的頻率、相位、幅度等參數轉變為一組取樣函數，然后直接運算出所需要的頻率信號。與傳統的頻率合成技術相比，DDS技術具有頻率分辨率高、相位變化連續、頻率變化快速、對輸出信號易實現多種調制等優點。目前DDS技術已經成為頻率合成技術的首選方案之一。在通信、電子、雷達、制導、儀器儀表等領域應用廣泛窮。但由于幅度和相位信息用數字量表示,就不行避開地存在量化精度問題，造成輸出信號的幅度失真和相位失真,最終引起DDＳ頻率合成的輸出信號雜較散大。實行有效的措施，可以大大降低雜散，但必定不能徹底消除。另外ＤDＳ的輸出頻帶有限,依據Nｙquiｓt采樣理論,輸出最高頻率不能超過0。5fc(fc為DＤS的系統頻率）．實際工作中為了保證輸出頻率和鏡象頻率可以有效地分開，最高頻率的取值一般為0.４fc,這也是目前限制DＤＳ進展的主要問題之一,不過，隨著超高速EＣＬ和ＧaAs器件的消滅，DDS的頻帶限制己經逐漸地得到改善。在ＤDＳ頻率合成方面，目前生產DＤS芯片的公司主要有美國的Ｑｕalｅomm,ＡD，Seiteｇ,Ｓtａｎdford，Hａｒris，Synegy以及法國的Oｍｅrga,Ｄaｓｓａult公司等。其中ADＳ—431的時鐘頻率為1.6ＧHz，分辨率１Ｈz，雜散-4５dBc,變頻時間30ns；美國ＡＤ公司也相繼推出了AD985X系列DＤＳ芯片，其中AＤ9858的時鐘頻率達1GHｚ,相噪優于—14７ｄBｃ/Ｈｚ＠lkHz，雜散低于—８４dBc.依據查閱的100多篇各種文獻資料分析，目前基于ＤDS技術的信號源其掌握系統多采納單片機、FPＧA、ＡＲＭ、CPLD、DSP、ASIＣ技術.對雜散及噪聲的掌握采納ＲOM壓縮算法、Ｔayｌor級數算法、相位截斷、相位抖動、內插相位等技術來實現。濾波器有源和無源都有但是主要采納貝塞爾濾波器（Ｂesｓeｌ）、巴特沃斯濾波器（Batteｒwｏrｔh)、橢圓函數濾波器這幾種濾波器。軟件開發方面采納了μC/OSⅡ、Ｓopc。Ｂｕｉlder、Qｕａrtuｓ、vｉｓｕalＣ++、ＣＣS、ＶHDL、Kｅill等軟件來開發。PＣB制版方面,一般采納雙層板,也有采納多層板的.技術方案主要有如下幾種方案:MＣＵ＋DDＳ、ＤDS+PLL、ＤSP＋DDＳ、ＦPGA＋DDS、CＰLD+DDS等等方案。參考文獻［１］龔航.低相位噪聲高精度相位可控頻率合成技術討論與應用.長沙：國防科學技術高校碩士學位論文［２]王軼．基于DDS+ＰＬL技術的高性能頻率源討論與實現。長沙：國防科學技術高校工學碩士學位論文[3]田書林．基于數字采樣的高速波形產生與獵取技術討論．成都:電子科技高校博士學位論文?[４］DaｖidBｒaｎdoｎandKｅnGｅntileDDS—BａseｄClｏckJｉttｅｒＰｅｒｆormaｎｃevs．DAＣRｅｃｏnstｒuｃtｉｏnFｉltｅrPｅｒｆoｒmaｎｃeＡnａlogDeｖｉcｅs,Inｃ。２006［5]Ｄ。K．ShａeｆｆeraｎdT.Ｈ．Lee。A1.5—V，1.5—GＨzＣＭOＳｌoｗNoisｅAｍplifｉｅr，IEEEJournaｌofＳolｉd－StａｔeCircuits，Vol.32，nｏ．5pp745~759，Maｙ1９９７。[6]MａｄｏuA.，ａndMarｔenｓ，L。,EｌectrｉcalｂehaviｏrｏfdeｃｏuｐlingcapacitｏrseｍｂeｄｄｅdinｍｕｌtiｌａｙeredPCBｓ，IEEＥＴｒansaｃtｉoｎｓｏｎEleｃtｒoｍaｇneｔicＣｏmpatibiｌｉty，ｖｏl．43，no．４，Nｏvemｂｅr2001，pp．5４9~566[7]ＤavｉdBranｄonSynｃhronizinｇMｕltiｐlｅAD９852DDS－BａseｄSyｎtheｓｉｚersAnａlogDevicｅs，Inｃ．20０3。［8]Sａkabｅ,Y．,Haｙａsｈi，Ｍ．,Ozａki，T。，anｄＣaｎnｒ，Ｊ。Ｐ.，Hｉghfrｅqｕenｃｙmeａsuｒeｍｅntofmultilayerceｒａｍiccapacｉtors，ＩEＥＥTransａctｉｏnsｏnCompｏnｅｎtｓ,PａｃkagｉnｇaｎdManuｆacturiｎgTｅchｎoｌogy,PａrtB:ＡｄｖａncｅdPackａｇｉnｇ，vol。１9，no。１,Ｆebruary１９96．［9]《ATecｈｎｉｃaｌTutｏｒialonDigetａｌSigｎalSynｔｈesｉｓ》AnａｌoｇDｅviceｓ，Ｉｎｃ.１９99.[10]。Corｒal,C．，Deｓｉgniｎgｅｌlipｔicｆiｌtｅｒsｗiｔｈmaｘiｍｕmselecｔivity，ENＤ，May２５，２0００，pｐ.10１～１0９．［11］ＭikｅＨｕmmeｌａｎdKeｖｉnＢｕcｋlｅyＰrovｉsioningＤａtａRatesUsiｎgtｈｅ