一種帶有LAN接口的DDS正弦函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)
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1 系統(tǒng)概述
LXI總線是Agilnet公司和VXI科技公司共同合作，于2004年9月41日在美國(guó)加州PALAOLTO提出一種新型儀器接口規(guī)范，全稱(chēng)為L(zhǎng)AN-based Extensions for Instrumentation(局域網(wǎng)的儀器擴(kuò)展)。它基于著名的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(Ethernet)技術(shù)，擴(kuò)展了儀器需要的語(yǔ)言、命令、協(xié)議等內(nèi)容，構(gòu)成了一種適用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的新一代模塊化儀器平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。為了適應(yīng)國(guó)際上儀器接口技術(shù)的發(fā)展，以具備LXI硬件基礎(chǔ)、帶有LAN接口的可程控儀器的研制作為本課題的出發(fā)點(diǎn)。同時(shí)該程控智能函數(shù)發(fā)生器以直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)為基礎(chǔ)的，此技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，在頻率合成技術(shù)領(lǐng)域的新的突破。它是將先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理理論和方法引入到信號(hào)合成領(lǐng)域，它的出現(xiàn)為進(jìn)一步提高信號(hào)的頻率穩(wěn)定度提供了新的解決方法。該技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：頻率轉(zhuǎn)換快、分辨率高、相位噪聲低等。
2 DDS實(shí)現(xiàn)方案論證與比較
方案一：采用高性能DDS單片電路的解決方案模擬直接合成法，轉(zhuǎn)換速度快，頻率分辨力高，但電路復(fù)雜，難以集成，發(fā)展受到一定限制。
方案二：采用鎖相環(huán)合成法，輸出信號(hào)頻率可達(dá)到超高頻甚至微波段，且輸出信號(hào)頻譜純度較高，但轉(zhuǎn)換要幾毫秒的時(shí)間，速度慢。
方案三：采用直接數(shù)字合成器(DDS)，可用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。即用累加器按頻率要求對(duì)相應(yīng)的相位增量進(jìn)行累加，再以累加相位值作為地址碼，取存放于ROM中的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換、濾波即得所需波形。方法簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定度高，易于程控。
根據(jù)上述三種方案綜合考慮，選擇方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面根據(jù)方案三進(jìn)行硬件和軟件兩方面的設(shè)計(jì)。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 頻率合成器
采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生波形的方框圖如圖1所示，輸入頻率經(jīng)倍頻→計(jì)數(shù)器→存儲(chǔ)器→D／A轉(zhuǎn)換器→濾波后產(chǎn)生所需波形輸出。用存儲(chǔ)器存儲(chǔ)所需的波形量化數(shù)據(jù)，用不同頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)地址計(jì)數(shù)器。該計(jì)數(shù)器的輸出接到存儲(chǔ)器的地址線上，這樣在存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)線上就會(huì)周期性地出現(xiàn)波形的量化數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換并濾波后即可生成波形，并且完全能滿(mǎn)足頻率范圍為100～200 Hz、步進(jìn)間隔≤100 Hz的要求。
3.2 系統(tǒng)硬件整體框圖
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)部分：DDS函數(shù)發(fā)生器、通用接口部分、上位機(jī)虛擬儀器控制程序、網(wǎng)絡(luò)接口控制部分等。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。
(1)DDS函數(shù)發(fā)生器部分是儀器的主體部分，不僅具備獨(dú)立儀器的功能，而且可以通過(guò)儀器接口接收上位機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)程控的目的。
(2)上位虛擬機(jī)控制部分所要完成的功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向儀器終端發(fā)送控制命令。當(dāng)接收到上位機(jī)的命令后，儀器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。
(3)網(wǎng)絡(luò)接口控制部分主要是完成儀器和Ethernet的接通和數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有數(shù)據(jù)傳送到儀器時(shí)，儀器要判斷所送來(lái)的數(shù)據(jù)包是不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)包：如果是，則接收并放人內(nèi)存專(zhuān)門(mén)開(kāi)辟的緩沖區(qū)中，同時(shí)回送接收到數(shù)據(jù)的信號(hào)給上位機(jī)；如果不是自己的數(shù)據(jù)包，則丟棄。
(4)通用接口部分相當(dāng)于接口轉(zhuǎn)換卡，即通用接口與網(wǎng)絡(luò)接口的轉(zhuǎn)換。
3.3 正弦信號(hào)產(chǎn)生器
正弦信號(hào)產(chǎn)生器采用直接頻率合成集成芯片AD9850。其內(nèi)部包括高速、高性能D／A轉(zhuǎn)換器件和高速比較器，6倍參考時(shí)鐘倍乘器等。利用內(nèi)時(shí)鐘倍乘器，降低了對(duì)外部高速參考時(shí)鐘振蕩器的要求，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。在外接精密時(shí)鐘源時(shí)，可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈，頻率、相位均可編程的模擬正弦波。該正弦波可以直接作為頻率源或通過(guò)芯片內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換成方波作為時(shí)鐘源輸出。數(shù)據(jù)總線D0～D7來(lái)完成全部40位控制數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)復(fù)位信號(hào)RESET有效時(shí)會(huì)使輸入數(shù)據(jù)地址指針指向第一個(gè)輸入寄存器，W_CLK上升沿寫(xiě)入第一組8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)W_CLK上升沿后，完成全部40位控制數(shù)據(jù)的輸入，此后W_CLK信號(hào)的邊沿?zé)o效。當(dāng)FQ_UP上升沿到來(lái)時(shí)40位數(shù)據(jù)會(huì)從輸入寄存器寫(xiě)入到頻率和相位控制寄存器，更新DDS的輸出頻率和相位，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器，等待著下一組新數(shù)據(jù)的寫(xiě)入，實(shí)際電路連接如圖3所示。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)以總線的方式連接到ACEXIK30，其主程序就是進(jìn)行FPGA配置、儀器的初始化、啟動(dòng)DA、啟動(dòng)LCD顯示、中斷響應(yīng)、發(fā)送與接收(或本地設(shè)置)頻率控制字等。主程序流程如圖4所示。
主程序：
5 結(jié)語(yǔ)
本文基于LAN接口技術(shù)和DDS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)函數(shù)發(fā)生器，通過(guò)本課題的研究和設(shè)計(jì)，得出了如下結(jié)論：本設(shè)計(jì)具有易組合、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系統(tǒng)化的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)建靈活。采用直接數(shù)字合成技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了正弦信號(hào)發(fā)生器，可產(chǎn)生高精度、高穩(wěn)定度的正弦信號(hào)，適合對(duì)波形要求較高的場(chǎng)合使用。需要不同的頻率時(shí)只需修改鍵盤(pán)輸入就能完成，簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)和電路板設(shè)計(jì)。把該正弦信號(hào)作為載波，通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了AM、FM等調(diào)制信號(hào)的輸出。另外，它可任意設(shè)定頻率分辨率，使信號(hào)精度很高，甚至可將累加器、ROM、D／A及微處理器集成于一片IC之內(nèi)。未來(lái)通信系統(tǒng)的發(fā)展離不開(kāi)對(duì)信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，更離不開(kāi)正弦載波，基于DDS技術(shù)的正弦信號(hào)發(fā)生器在通信中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。
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