摘 要：目前数字信号源的设计方案多种多样，但就其本质来说都是基于DDS原理实现的，这是由于DDS具有其它传统技术所不具有的优势，其所实现的信号源也因此具有了接近理想波形的优势。但由于其成本远远高于传统的模拟信号发生器因此大部分市场仍被传统的模拟信号源所统治，因此数字信号源要想取得统治地位必须从降低成本入手。但也可以相信数字取代模拟是一个必然。

　　关键字：DDS;信号源;成本

　　Abstract: Today the way for the design of digital signal sources are diverse, while all that are basic on DDS for the advantage of DDS. However, the reason for it cannot be widely used is that the cost is much higher than the traditional analog signal source. So if the digital sources want to be used by more people than analog source, the cost will have to be cut. But we can believe that the analog source will be replaced by the digital source. It is an inevitable.

　　Keyword: DDS; signal source; cost DDS原理实现的，这是由于DDS具有其他传统技术所不具有的优势，其所实现的信号源也因此具有了接近理想波形的优势。 (DDS)技术是20世纪80年代末，随着数字集成电路和微电子技术的发展出现的一种新的数字频率合成技术，它从相位量化的概念出发来进行频率合成。DDS技术与传统的频率合成技术相比，具有频率分辨率高、相位噪声小、稳定度高、易于调整及控制灵活等优点。 尽管DDS技术有很多优点但它也并不十分完美，其主要的不足是合成信号的频率较低、频谱不纯;另据调查，目前市场上现有的DDS函数波形发生器因其波形失真小、频度幅度稳定和可任意编辑生成波形而被广泛看好，但由于其成本远远高于传统的模拟信号发生器，所以除了部份的军工单位和科研教学单位采用外，大部份市场还是采用传统的模拟信号发生器。因此使用数字直接合成(DDS)的函数波形发生器，如成本能控制在模拟信号发生器的成本左右，是完全能取代传统的模拟信号发生器的。 、模拟信号源设计 模拟信号源的设计方案多种多样但在原理上并无多大区别。信号源内部电路一般由振荡器、放大器、输出衰减器、稳压电源及指示电压表等部分组成。

　　(1)振荡器 振荡信号可以由三种形式的振荡器产生。

　　①LC振荡器 这种振荡器由于LC体积大、频率变化范围小、品质因数Q值较小，故一般不太适合用于低频信号振荡器，一般在高频信号振荡器中使用较多。

　　②差频振荡器 由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号，此信号经过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。这种振荡器频率覆盖面宽，缺点是受高频基准振荡器频率稳定性的影响很大，所以输出频率稳定性较差，在低频端尤为显著，使用时需要经常校正。

　　③RC振荡器 RC振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，不仅降低了成本，而且还具有较高的频率稳定性，调节使用较方便，因而在低频信号发生器中被广泛地应用。典型的RC振荡器叫做文氏电桥振荡器。

　　图1 文氏电桥RC振荡器电路图

　　如图所示为XD1型晶体管低频信号发生器的文氏电桥RC振荡器电路图，该文氏电桥RC振荡器电路由放大器、文氏电桥正反馈回路和热敏电阻负反馈支路及由R1、C1、R2、C2组成具有选频作用的支路构成。文氏电桥RC振荡器决定输出信号的波形和频率。

　　文氏电桥RC振荡器的优点是，在同一频段内比LC振荡器的频率范围宽，其频率变化比值(以最高频率与最低频率之比表示)可达10：1，而LC振荡器只有3：1左右;振荡波形是正弦波，失真小;频率稳定性高，在所有工作频率范围内，振幅几乎等于常数。低频信号发生器中多采用这种电路。

　　(2)放大器 放大器一般是由电压放大器、功率放大器、保护电路及输出匹配电路组成。电压放大器主要用于阻抗变换。对功率放大器的要求是有足够的输出功率、信号不失真、频率特性好、非线性失真小和输出阻抗低。

　　晶体三极管电路的过载能力差，信号发生器输出端又经常会发生短路，晶体三极管的工作状态超出极限时便很容易烧毁。为使低频信号发生器能安全、可靠地工作，设置保护电路是非常必要的。

　　(3)输出衰减器 输出衰减器的作用是调节输出电压的大小，常采用步进调节或连续调节。

　　(4)指示电压表 电压表用来指示信号源输出电压的高低。电压表可作内测量和外测量用。内测量时，电压表直接接到电压输出端钮上;外测量时，将输出衰减器输入端接到电压表输入端上。内测量和外测量一般是通过开关来变换的。[1]

模拟信号源突出的优点就是制作简单、方便，易于实现，成本低;但其致命的缺点就是波形失真严重这也是要推出数字信号源重要原因之一。 、DDS基本原理 2 DDS原理 2所示，DDS电路由相位累加器(PA)、正弦查询表(LUT)、D/A转换器(DAC)和低通滤波器(LPF)等部分组成。DDS的工作原理实质上是以数控的方式产生频率、相位可控制的正弦波。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的二进制码进行累加运算。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器，以供查表使用，读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。 2.1) U和初始相位θ0不变，它的频谱就是位于f0的一条谱线。为了分析简化起见，可令U=1，θ0=0，这将不会影响对频率的研究。即: 2.2) 2.2.1) (2.2)的信号进行采样，采样周期为Tc(即采样频率为fc)，则可得到离散的波形序列 2.3) 2.4) 2.5) : 2.6) (2.3)出来的离散序列即可唯一的恢复出(2.2)的模拟信号。保持的作用则是可使得所需模拟信号的分量加大，且将采样形成的高次谐波分量受到很大抑制。 (2.2.1))可知，是相位函数的斜率决定了信号的频率;从(2.5)可知，决定相位函数斜率的是两次采样之间的相位增量△θ，因此，只要控制这个相位增量，就可以控制合成信号的频率现将整个周期的相位2分成M份。每一份为 2.7) δ，此时相位增长的斜率最小，得到最低输出频率 2.8) 2.9) δ的K倍，即可得到信号的频率: 2.10) 2.11) K和M都是正整数，根据采样定理，K的最大值应小于M的二分之一。通常取M=2N，则输出频率为： 2.12) :每来一个时钟脉冲 fcIk，N位加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据相加;另一方面输出M位作为取样地址值送入幅度相位转换电路，幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器加满时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期，该周期就是DDS信号的频率周期。其主要关系式为: :K为频率控制字，N为相位累加器位数，fclk：为时钟频率。 (不得大于∏)来控制所得离散序列的频率，经保持、滤波之后可唯一的恢复出此频率的模拟信号，这就是直接数字式频率合成的原理。[2][3][5] 、几种数字设计方案的分析与比较 专用DDS集成芯片的设计方案 AD公司的AD9851验证这种技术方案可行性的。其设计方框图如图3所示： 3设计框图 DDS芯片实现可调相位差的正余弦信号器或方波信号。此方案设计出来的正余弦信号发生器主要是由正余弦信号或方波信号产生的输出电路、键盘输人和显示电路、PC机通信电路三部分组成。 此方案可以根据实际需要设计两路正余弦信号输出或者两路方波输出，在验证过程中实现了两路方波发现两路信号不能同时输出，且频率相同，但相位可调，可以通过按键或者PC机控制软件进行调频和调相。[4] 芯片的最高工作频率为180MHz，内部除了高速DDS外，、还集成了时钟6倍频器和一个高速比较器，集成的时钟6倍频器降低了外部参考时钟频率。该DDS芯片还利用一个30MHz的晶振，减小了高频辐射，提高了系统的电磁兼容能力。AD9851采用32位频率累加器及10位高速D/A转换器，在180 MHz系统时钟工作下，输出正弦波的频率精度为0.04 Hz，允许相位以11.25度为单位进行步进改变，并可以用8位并行接口或串行接口输人控制数据，数据为40位控制字。此外，AD9851的工作电压也较宽，可达2.7~5.25 V 。 AD9851实现信号发生器大大简化了系统的硬件制作难度，就合成信号的质量而言，专用DDS芯片由于采用了特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，输出信号的指标较高。且以此方案设计的信号发生器还具有良好的频率和相位特性，性能稳定，能在短时间内非常容易地实现DDS芯片的控制与波形参数的显示工作;但其复杂的硬件电路系统一旦设计完成，其系统功能也就确定，只能实现一种或两种波形，控制方式也比较固定;如果想在不改变原有电路基础上，改变或者增加一些功能，则难以实现，可重构性差。并且该方案在后期维护和系统升级方面都有非常大的难度，其花费的成本比较高，严重制约了此类信号器的推广与普及。 3.2 单片机+FPGA的技术方案 FPGA来实现并取代上一方案中DDS的功能进而产生波形。验证采用的设计方框图如图4所示：

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