第四章典型应用技术.pdf

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f O ，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(Direct Digital Frequency Synthesis 简称DDFS 或 第 146 页 第 4 章 典型应用技术 DDS)。DDS 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4-2 DDS 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(f clk )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、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