离子囚禁系统的高精度射频信号源的设计与实现

摘要

射频信号源是当今电子领域必不可缺的组成部分，信号源的噪声性能和杂散抑制能力直接决定现代电子系统的准确性和可靠性。目前，射频信号源的设计主要采用的是DDS技术。DDS技术结合了现代数字信号处理理论和微电子技术，相比传统的频率合成技术，DDS的频率分辨率高且相位噪声低。
　　本文以离子囚禁为应用背景，运用DDS技术，设计了一种高精度高稳定度的射频信号源。该信号源系统以AD9910为信号合成核心芯片，基于ARM7芯片STM32F103VE为控制器，具有输出频率高、频谱稳定、频率捷变速度快，杂散抑制性能好等优良特性，而且可以实现频率、幅度、相位的调节与扫描，使用灵活，能够很好的应用于离子囚禁。具体工作如下：
　　（1）介绍了DDS技术的基本原理，分析了DDS的特点和杂散性能，并提出了杂散抑制的方法，然后根据射频信号源的指标要求，给出了总体设计方案。
　　（2）系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，其中硬件电路设计部分主要有时钟倍频电路、DDS模块、亚倍频程带通滤波电路、增益放大、数控衰减和缓冲放大电路以及人机交互电路。
　　（3）时钟倍频电路采用×5×5×2×2的外部倍频链将10MHz的基准时钟倍频到1GHz作为系统的时钟信号，DDS模块采用AD9910作为核心芯片，滤波电路的设计是将整个输出频段分为四个小的频率段，采用4路4阶巴特沃斯亚倍频程带通滤波器，通过分路选择器来选择，覆盖DDS的整个工作频率范围，增益放大和缓冲放大都是采用GALI-74来设计的，数控衰减电路是用HMC307来设计的，人机交互电路包括4*4矩阵键盘、LCD12864液晶显示以及与PC之间通过USB2.0接口通信。
　　（4）软件设计部分主要包括基于ARM7芯片STM32F103VE控制液晶显示、键盘扫描输入频率/相位/幅度、DDS模块、亚倍频程滤波频段选择和数控衰减。对DDS模块的控制主要是将键盘输入的数据进行处理后得到频率/相位/幅度控制字，并送入AD9910芯片，再经AD9910处理，查表输出正弦波信号。
　　（5）最后对系统进行了测试，各项测试结果都达到了信号源的指标要求。

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第1章 绪论

1.1课题来源与指标要求

1.2课题研究目的与意义

1.3 DDS技术的研究现状及发展趋势

1.4本文的主要工作与论文结构

第2章 DDS技术基础及特点分析

2.1 DDS的基本结构

2.2直接数字频率合成（DDS）原理和性能特点

2.3 DDS的数学分析

2.4 DDS信号的频谱分析

2.5 抑制杂散信号的方法与分析

2.6 本章小结

第3章 射频信号源的硬件设计与实现

3.1 系统总体方案

3.2 DDS模块电路设计与ARM控制模块设计

3.3 ARM控制模块设计

3.4 倍频电路设计

3.5 滤波电路设计

3.6 驱动放大电路设计

3.7 人机交互电路设计

3.8 本章小结

第4章 射频信号源的软件设计与实现

4.1 系统软件控制总体设计

4.2 键盘扫描得到控制字模块

4.3 DDS模块的软件控制

4.4液晶显示软件控制

4.5 亚倍频程滤波器滤波频段控制

4.6 数控衰减控制

4.7 本章小结

第5章 信号源系统的测试与分析

5.1 软件调试

5.2 硬件测试前的准备工作

5.3 硬件测试

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录I

在硕士期间获得的科研成果