关于基于DDS技术的杂散抑制和正弦信号源的实现.doc
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1、关于基于DDS技术的杂散抑制和正弦信号源的实现0 引言在设备检测和电子测量技术中,常常需要一个高精度、频率可变的信号源,信号源的稳定往往关系到这些系统工作的性能。如在磨粒检测传感器中,需要对激励线圈施加以高频正弦信号,据理论分析和仿真验证,在一定的频率下,检测灵敏度随激励频率的增大而增大1。相比较其他信号合成技术,直接数字频率合成(Direct Digital frequency Synthesis,DDS)具有频率转换时间短,频率分辨率高,可编程和全数字化2。文献3基于simulink软件搭建了DDS仿真模型,对DDS理想数学模型和有相位截断误差模型进行了分析,但文中并没有提出方法减少杂散分
2、量。文献4通过AVR单片机和芯片AD9835设计出了一种高精度高频率的正弦波交流电源,但其变频范围太窄,仅为100 kHz300 kHz,不能够满足对兆赫兹频率源的需求。为弥补上述不足,论文首先通过simulink软件搭建DDS仿真系统模型,通过压缩ROM查询表的数据量用以增加其位数,减少DDS杂散信号的输出。然后利用DDS芯片AD9851和微处理AT89S52设计出一种正弦信号源,实现了1 Hz50 MHz的正弦波输出。1 DDS工作原理DDS是一种将数字处理方法引入频率合成的新技术,把一系列数字量信号通过数/模转换成模拟量信号。基本原理框图如图1(a)所示,主要由相位累加器、ROM查询表、
3、D/A转换器和低通滤波器构成。在参考时钟Fclk的作用下,N位累加器每接收到一次时钟脉冲对频率控制字M进行一次累加,把累加后的结果送至ROM查询表中,查询表事先存入了2N个相位-幅度转换数据。不同的频率控制字M会引起累加器相位增量的不同,这样通过查询表就得到不同频率的数字正弦序列,经过D/A转换器后,输出阶梯型正弦信号,最后经过滤波器模块滤除高频分量并进行平滑后,得到模拟的正弦波信号5。其中各个模块的输出波形如图1(b)所示。据上述工作原理和DDS系统的几项参数,可以得到输出信号的频率和频率分辨率分别为:2 DDS仿真模型的建立DDS仿真模型的搭建是在软件simulink中完成的,它可以提供一
4、个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境6。据上述对DDS基本工作原理的分析,利用simulink中已有或自定义的功能模块来搭建DDS的仿真模型。2.1 DDS仿真模型图DDS仿真模型框架如图2所示,其中参考时钟由Pulse Generator提供,频率控制字由Constant模块给出。N位累加器由Triggered Subsystem模块和内部相关程序构成。ROM查询表模块由Look-up table模块构成,里面存储了正弦相位值到幅度值之间的转换表。由于查询表模块已经集成了D/A转换器,因此该模块输出的信号就是模拟量。低通滤波器由Analog filter design构成,对上一级的输出
5、信号进行平滑处理和滤波。余下模块是一些信号显示和信号处理模块。图3是DDS仿真模型各个节点的输出波形,它与原理框图各个节点的输出波形一致。此模型中,时钟参考频率为400 kHz,累加器的位数为16位,频率控制字给定的是3 277,则根据式(1)计算理论输出的正弦信号频率为20 kHz。图3中实际输出频率为1/(0.510-4s)=20 kHz,从而验证了该模型的正确性,修改相应的频率控制字实现指定频率信号的输出。2.2 基于对称性的压缩方法由DDS原理可知,ROM查询表存储的数据越详细,输出的数字正弦序列越精确,从而得到的正弦信号杂散越小7,但这会使存储表的数据量过多。既要减少查询表对DDS资
6、源的占用同时尽量避免影响正弦序列输出的精度,对查询表存储数据量进行压缩的方法就显得尤为重要。而每当ROM查询表的数据被压缩一倍,就相当于减少了一位截断位数,杂散抑制便可得到6 dB的提高8。利用正弦波的对称性将一个周期(0,2)的波形由1/4周期(0,/2)的波形变换得到,将ROM查询表的数据量可以缩减至1/4。图4(a)中的1/4 压缩模块就是根据正弦波的对称性进行数据压缩。可以从图4(b)中看出经过压缩模块后,其输出波形的精度并没有受到影响。原先ROM查询表存储了216个数据,经过该模块后,只需存储214个数据就可以达到相同的结果。因此原先的16位累加器便可以等效存储218个数据。2.3
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