数字波形合成器

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数字波形合成器概论

电子技术课程设计课题名称：数字波形合成器的设计1.实验目的1.1 掌握数字波形合成器的基本设计方法和整体电路实现；1.2 熟悉各功能模块单元电路的具体设计方法和工作原理（脉冲发生器、分频器、数字模拟转换以及低通滤波器）。

1.3 进一步熟悉电子电路的设计方法。

1.4 进一步熟悉电路设计过程中EDA方法以及各种电子器件的使用方法。

2. 实验要求2.1 设计一个具有高频率稳定度和高相位稳定度的两相正弦信号源。

2.2 两相正弦信号频率 f=400Hz。

2.3 两相信号 A、 B 之间相位差 90°。

2.4 幅值=5V±0.2V。

3. 实验仪器、主要元器件3.1 振荡电路:NE555*1；电阻 1kΩ*1,15kΩ电位器*1 ；电容 0.01uF*23.2 分频器： CD4013 双 D触发器*33.3 两路正弦加权 DAC：电阻 1MΩ*4、 370kΩ*4、 270kΩ*4、 135kΩ*2、 68kΩ*2；uA741*23.4两路 LPF: 电阻 91k*4；电容 2200pF*2、 8800pF*2；uA741*23.5 其它必要设备或元器件：直流稳压电源；导线若干；示波器；万用表；镊子；剥线钳；面包板；4. 课题分析及方案论证4.1 课题分析在某些场合对于信号的频率、相位以及失真度要求较高。

例如，在精密陀螺测试中，对于 400Hz 三相正弦电源的这些参数要求就很严格。

如果这些指标不满足，将会使陀螺角动量变化，电动机升温，产生干扰力矩，从而影响电动机的正常工作和测试。

课题的实现方案有多种，采用石英晶体振荡器、分频器、 D/A 转换器构成的数字波形合成方案，是实现高频率和相位稳定性的一种较好方案，由于采用了具有较高频率稳定性的石英晶体和数字合成技术，因此使系统精度高，功能强，成本低，体积小，容易实现技术指标的要求。

4.2 方案论证数字波形的合成原理简单，从理论上说，这个方法可以合成任意波形，这里要合成正弦波。

DDS是什么意思DDS结构DDS原理是什么

DDS是什么意思DDS结构DDS原理是什么DDS是Direct Digital Synthesis的英文缩写，意为直接数字合成。

DDS是一种利用数字信号处理技术来产生高精度的频率和相位可控的连续波形的操作。

DDS结构是一种基于数字技术的信号产生器的结构。

它由相位累加器、频率控制字（FTW）、相位控制字（PTW）和一个查找表等组成。

相位累加器作为时钟信号的计数器，根据频率控制字的步进大小进行相位值的累加，然后通过查找表获取相位对应的幅度值。

这个过程可以重复进行，从而得到连续的波形输出。

DDS原理是基于抽样定理和离散信号处理的原理。

抽样定理表明，如果一个连续时间信号的带宽不超过其信号的采样率的一半，那么可以通过对信号进行抽样并进行适当的处理，以恢复原始信号。

DDS利用这一原理，将待产生的波形离散化为一系列的采样点，然后通过合成器根据这些采样点的幅度和相位信息来产生对应的数字信号。

这样，通过对这些数字信号进行转换和滤波处理，最终可以得到与原始信号非常接近的连续波形。

DDS的工作原理大致如下：1.设置初始参数：包括振荡频率、幅度、相位等。

2.配置相位累加器：选择一个合适的时钟频率，将其作为相位累加器的输入，通过加法器对相位控制字进行累加，从而控制波形的相位。

3.设置频率控制字：根据需要的波形频率，确定相位累加器每次累加的步长。

频率控制字的大小决定了每次相位累加的步进大小。

4.查找表：DDS中常用的查找表是正弦、余弦函数的表。

根据相位控制字来索引查找表中的数值，得到对应的幅度。

5.数字-模拟转换：将查找表中的数字信号转换为模拟信号，可以通过数字模拟转换器（DAC）来实现。

6.输出滤波：为了去除由数字合成引起的数字噪音和谐波，可以通过低通滤波器对输出信号进行滤波处理，以得到平滑的连续波形。

DDS的优点包括高精度、高稳定性、高频率分辨率、快速频率跳变和灵活性等。

它广泛应用于通信、测量、广播、音频处理等领域，可以用于产生各种连续波形，如正弦波、方波、锯齿波等，也可以通过频率和相位的调整进行频率调制和相位调制。

直线光栅四倍频电路数字化波形的合成过程

直线光栅四倍频电路数字化波形的合成过程
直线光栅四倍频电路数字化波形的合成过程
直线光栅四倍频电路是一种常用的数字化波形合成电路，其合成过程如下：
1. 生成基波信号：首先需要生成一个基波信号，可以使用晶体振荡器或其他信号源来产生一个稳定的正弦波信号。

2. 分频器分频：将基波信号输入到分频器中，进行分频操作。

分频器是一种常用的电路，可以将输入信号按照一定比例进行分频。

在这个过程中，我们需要选择合适的分频比例，以便得到所需的高次谐波。

3. 直线光栅：通过直线光栅对分频后的信号进行处理，得到所需的高次谐波。

直线光栅是一种特殊的滤波器，在其内部有许多平行排列的导体条，通过调整导体条之间的距离和宽度可以实现对不同频率成分的滤波。

4. 合成输出：将经过直线光栅处理后得到的高次谐波与原始基波信号进行加和，就可以得到所需的数字化合成波形。

总结起来，直线光栅四倍频电路数字化波形合成过程包括基波信号生成、分频、直线光栅处理和合成输出四个步骤。

这种电路可以用于产生各种复杂的波形，广泛应用于信号发生器、音频合成器等领域。

一种基于AD9857的任意波形合成器

一
种基于Ａ９５Ｄ８７的任意波形合成器
何缓，潘英锋，文斌傅
（空军雷达学院电子对抗系，武汉４０１）３００
摘
要：绍了一种基于直接数字频率合成（Ｄ）术、用数字正交上变频器Ａ９５实现的任介ＤＳ技采Ｄ８７
ＡｎＡｒｉｒｒａｅｏｍｙｔｅｉｅｓｄｏｂｔａｙＷｖｆｒＳｎｈｓｚｒＢａｅｎＡＤ９５８７
ＨＥａＨｕｎ，ＰＡＮｎ一ｎｇｇ，ＦＷｅ —ｂｎｎｉ
（ｅａｍｅｔｆｌｃｏｉＷａｆｅＡｒｏｃｃｄｍｆａａ，Ｗｕａ３００ｈｎ）Ｄｐｒｎｅｔｎｃｒｒ，ｉＦｒｅＡａｅｙｏｄｒｔｏＥｒａＲｈｎ４０１，ＣｉａＡｓａｔＢｓｄｏｉｃｄｇａｓｎｈｓｅＤＳ）ｔｈｏｇａｄｄｇｔｒｏｏａｐｏｖ￣ｒｂｔｃ：ａｅｎｄｒｔｉｉｌｙｔｅｉｒ（Ｄｒｅｔｚｅｎｌｙｎｉａｏｔｇｎｌｕｃｎｅｅｃｏｉｌｈ
续、可编程等特点。
致性等方面。
本文介绍了一种基于直接数字频率合成（Ｄ）ＤＳ原理、采用数字正交上变频器Ａ９５Ｄ８７实现的任意波形合成器，以在６～６ｚ围内合成任意波可０ＭＨ范形，上变频后就可得到雷达所需的各种波形。例如，该波形合成器可通过编程产生单频、性调频、线线非性调频、冲相位编码、脉四相移键控（ＰＫ）二相ＱＳ、移键控（ＰＫ）调幅（Ｍ）正交幅度调制（Ａ、ＢＳ、Ａ、ＱＭ）

基于ARM的数字波形合成器的实现

图３ｄ５１时序图ｖ６６
基于上述功能和特点．系统从用户选择数字波形合成发生起本
维普资讯
●
中囊ｇｒｉ技术套ｔｔ
基于ＡＲ的数字波形台成器的实现Ｍ
◆ 文／杨世杰宋芳琴
【要Ｊ摘基于ＡＲＭ的数字波形合成器的实现，以三星的ＡＭ９￥Ｃ４０为硬件平台，ｕｌｕＲ３４Ｂ以Ｃｉｘ为操作系ｎ
统。嵌入式系统有容易操作的图形界面和键盘，仅充分利用了达盛Ｅｌ０的板上资源．为用户提供了一该不０还
个人性化的与系统交互接口。
【键词Ｊ数字波形合成器Ａ关ＲＭｕｌｕＭｉＧＩＣｉｘｎｎＵｉ
Ｉｔｒｅｎｅｔ的逐渐成熟和广泛实用化．无线Ｉｔｒｅｎｎｅｎｔ的应用可能会发展
波形程序，须严格按照数模转换器ＴＶ５１必Ｌ６６的时序图（图３如
嗍ｖ
ｏｏ
面向行业应用的基本特征．前已被广泛的应用于军事国防、费所示）行设计。目消进
二、点功能概述特
图２２住串行敷模转换器ＴＶ５１１Ｌ６６
为了减少失真，形的每一个周期采样３次。根据数模转换器波２的物理特性，知每一个采样值是由１可６位二进制数表示的．有效而

直接数字频率合成器(DDS PLL).

To Tc 2 M
频率为
f out
fc M N 2
0 M 2N 1
频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：
M ( f out 2 N ) f c
其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。由取样定理，所产生的信号频率不能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33%,以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。在图中，相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个很小的相位噪声。DAC分辨率一器的分辨率，DDS的最小分辨率为
f min
fc 2N
这个增量也就是最低的合成频率。最高的合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所以有
f 0 max
fc 2
与PLL不同,DDS的输出频率可以瞬时地改变,即可以实现跳频，这是DDS的一个突出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。
续混频分频,获得很小的频率步进,电路复杂,不易集成
– 直接数字合成法------DDS
VCO--用电压(流)控制振荡频率
改变C
改变R
改变L
改变电流
频率综合技术概述
• 开环VCO的频率稳定度和频率精度较低 • PLL使输出频率的稳定度和精度,接近参考振荡源(通常用晶振)
PLL框图如下:
PLL的构成
DDS
这种技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前，其工作速度主要受D/A变换器的限制。利用正弦信号的相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方式得到信号的瞬时幅值，从而实现频率合成。 DDS具有超宽的相对宽带，超高的捷变速率，超细的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可方便实现各种调制等优越性能。但存在杂散大的缺点，限于数字电路的工作速度, DDS的频率上限目前还只能达到数百兆,限制了在某些领域的应用。

dds

DDSDDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。

时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。

DDS有如下优点：⑴频率分辨率高，输出频点多，可达个频点(N为相位累加器位数)；⑵频率切换速度快，可达us量级；⑶频率切换时相位连续；⑷可以输出宽带正交信号；⑸输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；⑹可以产生任意波形；⑺全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻，因此八十年代以来各国都在研制和发展各自的DDS产品，如美国QUALCOMM公司的Q2334，Q2220；STANFORD公司的STEL-1175，STEL-1180；AD公司的AD7008，AD9850，AD9854等。

这些DDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等，芯片从一般功能到集成有D/A转换器和正交调制器。

DDS的简单介绍DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分（如Q2220）。

频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据dds频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。

DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。

另外，有些DDS芯片还具有调幅、调频和调相等调制功能及片内D/A变换器（如AD7008）。

DDS也是药物传递系统的意思。

DDS在化学里是一种良好的固化剂，全称为：4,4’ 二氨基二苯砜DDS有如下优点频率分辨率高，输出频点多，可达2的N次方个频点(N为相位累加器位数)；频率切换速度快，可达us量级；频率切换时相位连续；可以输出宽带正交信号；输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；可以产生任意波形；全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。

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电子技术课程设计实验报告
数字波形合成器
一、实验背景
在某些场合，对于信号的频率，相位及其失真度要求较高。

例如，在精密陀螺测试中，对于400Hz 三相正弦交流电源的这些参数要求就很严格，它要求频率稳定度△f/f≤0.0001，相位误差小于等于3度，正弦信号非线性失真系数小于1%等。

如果这些指标不满足，将会使陀螺角动量变动，电动机升温，产生干扰力矩，从而影响陀螺马达的正常工作和测试。

本课题要求采用数字合成技术，通过使用晶体振荡器，分频器及D/A 转换器等数字波形合成方案，输出高频率相位稳定度高的波形。

二、实验目的
1.进一步学习电子电路系统的设计方法和实验方法；
2.进一步掌握Multisim 仿真设计工具;
3.着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

三、实验要求
1.设计具有高频率稳定度和高相位稳定度的两相正弦信号源；
2.两相正弦信号频率f=400Hz ；
3.两相信号A 、B 之间相位差90度；
4.幅值Vm=5V ±0.2V 。

四、设计原理
设要合成的正弦波频率为0f 幅值为m U 。

首先将它的一个周期分为N 等分，用具有N 个阶梯的阶梯波来逼近所要求的正弦波，如图1所示。

可见N 越大，其逼近程度越好，失真也越小。

图1 阶梯正弦波
数字波形合成器主要就是合成这种阶梯波形，然后通过低通滤波器滤除高次谐波分量从而获得所需的正弦波。

图2为正弦阶梯波合成器的原理框图。

其中脉冲发成器的振荡频率F 与正弦波的频率f 之间的关系为
Nf F = 即，N F f = 式中，N 为分频器的分频系数，也称计数器的有效状态数。

计数器的N 个有效状态与正弦波的N 等分对应，也就是与阶梯波的N 个阶梯对应。

用上述N 个状态变量,分别控制正弦波加权D/A 转换器的权电阻（该权电阻值等于该状态所对应当正弦值），就可以得到阶梯正弦波。

当要求输出相位差为φ的两路正弦波时，两路阶梯波对应的阶梯应错开M 个计数器的状态，即
N
M πϕ2= 式中，M /2π为计数器两个相邻状态之间的相位差。

五、实验实现
1.振荡器
把石英晶体与对称式多谐振荡器中的耦合电容串联起来就组成图3所示的石英晶体多谐振荡器。

图3 晶体振荡器
由石英晶体的电抗频率特性可知：当外加电压的频率为
f时它的阻抗最小，
所以把它加入多谐振荡器的正反馈环路中以后，频率为
f的电压信号最容易通
过它，并在电路中形成正反馈，而其他频率信号经过石英晶体时被衰减。

因此振荡器的频率也必然为
f.由此可见，石英晶体多谐振荡器的振荡频率取决于石英
晶体的固有谐振频率，而与外接电阻，电容无关。

石英晶体的谐振频率由石英晶体的结晶方向和外形尺寸所决定，具有极高的频率稳定性。

它的频率稳定度可达10e-10—10e-11,可以满足设计要求。

2. N分频器
采用6个D触发器构成6位扭环形计数器，实现12分频。

此时每一位Q输出都是400HZ，如图4 所示
图4 6位扭环形计数器
计数器一共提供了12路输出，这12路输出每相邻两路相差30度。

其时序图及增量式阶梯正弦波图如图5所示。

图5 6位扭环形计数器时序图及增量式阶梯正弦波合成原理
要求输出的正弦波相差︒90，即隔开3个︒30。

因此第一路的输出状
态变量为1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q ,第二路4Q 5Q 6Q 1Q 2Q 3Q 。

3.正弦加权DAC
由电阻网、受数字控制的模拟开关、基准源R V 三部分构成。

图6 A 相正弦加权DAC
解码网的特点
每位一个电阻，称为位电阻，n 位需n 个电阻；取值上（电阻），按二进制整数代码权的规律取值：R ⋅02、R ⋅12、…、R n ⋅-12，例如n=8，R=15K ，则位电阻依次为：K 1520⨯、K 1521⨯、…、K 1527⨯；
4.二阶低通滤波器(LPF)
低通滤波器是用来通过低频信号衰减或抑制高频信号。

如图7(a)所示，为典型的二阶有源低通滤波器。

它由两级RC 滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C 接至输出端，引入适量的正反馈，以改善幅频特性。

图7（b ）为二阶低通滤波器幅频特性曲线。

(a)电路图 (b)频率特性
图7 二阶低通滤波器
电路性能参数
1
f uP R R 1A += 二阶低通滤波器的通带增益。

RC
2π1f O = 截止频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。

uP
A 31Q -= 品质因数，影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。

六、总体电路及仿真结果
合成两相频率为400 赫兹、相位差为90 度、幅值为5 伏的正弦波信号电路如图5所示。

波形发生器可以采用频率稳定性好的石英晶体震荡电路。

这里N 进制计数/分频器采用六位扭环型计数器,U1～U6为6个带有异步置位、复位端的D 型触发器。

六位扭环型计数器共有12个状态(N = 12) ,每两个相邻状态间在相位上相差30度。

数字波形合成器仿真电路图如图8所示。

图8 数字波形合成器仿真电路图仿真结果如图9所示。

图9 仿真结果
七、调试与结果分析
1.滤波电路中没有合适的电阻值，采用电阻的串联完成。

2.uA741芯片是有误差的，尤其是2片输出的幅值并不是严格相近，当然这和外围电路并不完全一样有一定关系。

在这时可以稍微调节反馈电阻，使其增加，将输入增大一些，输出的幅值改变很明显；反复调节直到电压达到5V±0.2V。

3.实验过程中，电阻值很难与理论值选用一致，只能使用大小相近的，这就导致了很多问题，其中波形失真是最为突出的一个。

在调试时，最好采用最为相似的组合。

八、实验心得
首先，使我对每个元器件的原理及性能有了更深入的理解和认识，较好的掌握了数字波形合成器的设计、组装与调试方法，进一步掌握了其工作原理。

其次，加深了我对理论知识的理解，进一步将在书本上面所学到的只是运用到实际的项目之中，做到了书本与实践的相结合。

同时，进一步学习了数电知识与电子电路系统的设计方法和实验方法。

最后，复习了Multisim仿真设计工具，提升了独立分析问题和解决问题的能力；为以后从事电子系统设计和开发应用打好基础。

九、参考文献
[1] 李庆常,王美玲.数字电子技术基础[M].机械工业出版社,2013.
[2] 张玉璞,李庆常.电子技术课程设计[M].北京理工大学出版社,1996.
[3] 张玉平.通用电路模拟技术[M].机械工业出版社,1999.
[4] 郝鸿安.模拟集成电路应用集锦[M].上海科学技术出版社,1984.
[5] 王远.模拟电子技术第二版[M].机械工业出版社,1999.。

数字波形合成器