基于CPLD与AD9854的谱仪窄带射频发送系统的设计与实现

基于CPLD与AD9854的谱仪窄带射频发送系统的与实现 基于CPLD与AD9854的谱仪窄带射频发送系统的设计与 实现 东北大学 硕士学位论文 基于CPLD与AD9854的谱仪窄带射频发送系统的设计与实现 姓名:李继洲 申请学位级别:硕士 专业:生物医学 指导教师:王永军 20050101东北大学硕士学位论文 摘要 基于与的谱仪窄带射频发送系统的设计与实现 摘要 磁共振成像 ,的临床应用是医学影像学中的 一场革命,是继计算机断层造影术 ,、超声等影像 检查手段后又一新的断层成像方法。与相比,具有高组织分辨力、空间分 辨力、无硬性伪迹和无放射损伤等优点。 本设计是针对国内某公司生产的.特斯拉磁共振谱仪系统进行开发和设计 的。 本文介绍了磁共振的基本原理和磁共振成像的原理,包括射频发送系统的工 作 原理和系统构成。详细介绍了直接频率合成器 , 基本结构和性能特点,并对系统设计中所采用的芯片的控制使 用进行了重点分析。 , 本文重点介绍基于复杂可编程逻辑器件和专用芯片实现谱仪中窄带射频发 送系统的设 计与实现。 首先,需要实现对的控制,使其能够在~ 范围内产生一定频率范围内任意频率正/余弦信号,该部分程序是在.环境下 通过 语言实现并通过 .给出仿真波形,下载到芯片中并进行测试验证。 其次,需要使用控制替换原射频发送系统的三块芯片, 即芯片、数字乘法器和数模转换器,产生.~ .的射频基带信号,并到系统进行测试验证, 最后,根据相关原理使用控制实现整个射频发送系 统的数字化。 关键词磁共振成像直接频率合成器复杂可编程逻辑器件 ? 东北大学硕士学位论文? 黟商 ~, . ... , / ../ ~. ,, .. . ,印 .~. , . . . ??声 明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果,也不包 括本入为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:捌 日 期:伊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定;即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文 被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索、交流。 如作者和导师同意网上交流,请在下方签名;否则视为不同意。 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 签字日期:东北大学硕士学位论文 第一章引言 引 第一章 言 .研究背景 磁共振是一种物理现象,作为一种分析手段广泛应用于物理、化学、生物等领 域,到年才将它用于医学临床检测。为了避免与核医学中放射成像混淆,把它 称为磁共振成像 ,。 是一种生物磁自旋成像技术,是利用原子核自旋运动的特点,在外加磁场 内,经射频脉冲激励后产生信号,用探铡器检溺荠输入计算机,经过处理转换在羼 幕上显示图像。提供的信息量远大于医学影像学中的其它许多成像技术,因此 它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接做出横断面、矢状面、冠状面 和各种斜面的体层图像,且具有不会产生,计算机 射线断层造影术检测中的伪影、不需注射造影剩、无电离辐射、对机体没有 不良 影响等优点。 从原理的发现到目前临床各种先进成像技术的应用,是基于科学家们对原 子结构的不断认识。年发现电子除在原子核绕行外,还可高速自旋,有 角动量和磁矩。年美国哈佛大学的.及斯坦福大学的分别独立地发 现磁共振现象并接收到核子自旋的电信号,同时将该原理最早用于生物实验,在物 理学、化学方面做出了较大的贡献,年荣获诺贝尔物理学奖。磁共振成像的设 想出自,德于年发现了组织的良、恶性细胞的信号有所不同。 年.用共轭摄影法产生一幅试管的/图像。】年做出第一幅 。 动物的肝脏图像。随后技术在此基础上飞速发展,继而广泛地应用于临床 由于人体内各种不同组织如骨、软骨、软组织和其他器官的水和脂肪等有机物 的含量不同,同~组织中正常与病变环境下质子的分布密度不同,其弛豫时间也存 在着明显的差异。因此对人体中氢原子分布状态进行研究,以组织的二维、三维高 分辨力图像加以显示,在医学上具有重要的意义。 .国内外的情况 全世界磁共振年销量为台左右,中国市场容量为每年~台,目前 国内已有的磁共振设备以进口为主。商场强的超号磁共振成像设备更是由国外的几 家大公司一统天下,市场占有率是第一,西门子第二,飞利浦第三,东芝第四, 低场强的磁共振成像设备,日立占有率第一。这些设备不仅造价昂贵,维护费用也东北大学硕士学位论文 第一章引言 高得惊人,因此许多国内公司都想自己生产磁共振成像设备。国内如安科等几家公 司是采用方式组装生产,即磁共振的核心部分是从外国买来,如谱仪是 从、、等专门生产谱仪的厂家购买,如安科公司用的是 公司谱仪,每台价格为万美元。射频放大器、梯度放大器是从等公司买的, 配套的磁体、外壳等从国内厂家订货,本身只是开发用户界面,或者直接用已有的 现成的界面,在国内组装、销售和维修。这在一定程度上为国家节省了许多外汇, 加快了磁共振设备在国内的普及。由于没有掌握关键技术,国内生产的这些磁共振 设备存在着许多诸如无法升级换代。产品维护困难等问。 .设计的意义 目前国内企业还没有实用的医用磁共振关键设各??谱仪的生产能力。中国科 学院武汉物理研究所在谱仪研究方面作了许多工作,北京大学核物理研究所、北京 天坛医院、西安交通大学生物医学工程研究所等许多医院、研究机构对磁共振的临 床应用等也作了许多卓有成效的工作。而国外整机生产厂家,其谱仪大都采用 自行研制的方式,其核心技术都属于高度机密,不对外开放。因此国内自主生产谱 仅就显得特别重要和有意义。国家每年要花费大量的外汇用于进口此类设备。为了 开发具有先进水平、拥有自主知识产权的高档设备,开发自己的谱仪是 必经之路,否则我国技术将永远落在别人的后面,永远也摆脱不了跟在别人后 面的被动局面。同时谱仪作为整机的核心部件,其进口价格也一直居高不下, 谱仪的成本约占到整机成本的/。为了降低整机的成本,生产出具有价格优势的 高档设备,实现进入国内市场的目标,必须对谱仪进行国产化。 另一方面,目前我国各大院校、研究所用于化学分析的谱仪也一直依赖进口, 一旦我们的谱仪研制成功,也可将此项技术转移到化学分析上去,带动相关产 业的发展。我们自己研制的谱仪投入生产后,除满足国内的生产外,还可以较 低的价格向国外出口,同时由于谱仪成本的大幅度下降,带动整机成本的下降,使 我们的整机具有较强的价格优势,大大加强我们国产的出口竞争力。 所以说,开发自主版权的谱仪,不但有很高的经济价值,还有更大的社会意义。 我设计的这部分,是谱仪中的一部分,在其他同学的共同努力下最终目的是基 ,和直 于可编程逻辑器件接数字频率合成器 ,实现对国内某公司生 】 产的.特斯拉谱仪系统中窄带射频 ,发送系统的数字化升 级和改进。本论文的第一章和第二章是关于本课题设计方面的意义及磁共振相关原 理的说明。第三章是本设计中涉及的直接频率合成器相关内容的介绍及对所采用的 芯片的分析对磁共振系统的构成及整个射频发送系统的结构及原理分 一一东北大学硕士学位论文 第一章引言 高得惊人,因此许多国内公司都想自己生产磁共振成像设备。国内如安科等几家公 司是采用方式组装生产,即磁共振的核心部分是从外国买米,如谱仅是 从~、、等专门生产谱仪的厂家购买,妻盯安科公司用的是 公谱仪,每台价格为万美元。射频放大器、梯度放大器是从等公司买的, 配套的磁体、外壳等从国内厂家订货,本身只是开发用户界面,或者直接用已有的 现成的界面,在国内组装、销售和维修。这在一定程度上为国家节省了许多外汇, 加快了磁共振设备在国内的普及。由于没有掌握关键技术,国内生产的这些磁共振 设备存在着许多诸如无法升级换代,产品维护困难等问题。 .设计的意义 目前国内企业还没有实用的医用磁共振关键设备??谱仪的生产能力。中国科 学院武汉物理研究所在谱仪研究方面作了许多工作,北京大学核物理研究所、北京 天坛医院、西安交通大学生物医学工程研究所等许多医院、研究机构对磁共振的临 床应用等也作了许多卓有成效的工作。而国外整机生产厂家,其谱仪大都采用 自行研制的方式,其核心技术都属于高度机密,不对外开放,因此国内自主生产诺 仪就显得特别重要和有意义。国家每年要花费大量的步卜汇用于进口此类设备。为了 开发具有先进水平、拥有自主知识产权的高档设备,开发自己的谱仪是 必经之路,否则我国技术将永远落在别人的后面,永远也摆脱不了跟在别人后 面的被动局面。同时谱仪作为整机的核心部件,其进口价格也一直居高不下, 谱仪的成本约占到整机成本的,。为了降低整机的成本,生产出具有价格优势 的 高档设备,实现进入国内市场的目标,必须对潜仪进行国产化。 另~方面,目前我国各大院校、研究所用于化学分析的谱仪也一直依赖进口, 一旦我们的谱仪研制成功,也可将此项技术转移到化学分析上去,带动相关产 业的发展。我们自己研制的谱仪投入生产后,除满足国内的生产外,还可以较 低的价格向国外出口,同时由于谱仪成本的大幅度下降,带动整机成本的下降,使 我们的/整机具有较强的价格优势,大大加强我们国产的出口竞争力。 所叭说,开发自主版权的谱仪,不但有很高的经济价值,还有更大的社会意义。 我设计的这部分,是谱仪中的一部分,在其他同学的共同努力下最终目的是基 于可编程逻辑器件,和直 接数字频率合成器瑚 ,实现对国内某公司生 产的.特斯拉谱仪系统中窄带射频 ,发送系统的数字化升 级和改进。本论文的第一章和第二章是关于本课题设计方面的意义及磁共振相关原 理的说明。第三章是本设计中涉及的直接频率合成器相关内容的介绍及对所采用的 芯片的分析对磁共振系统的构成及整个射频发送系统的结构及原理分 芯片的分析对磁共振系统的构成及整个射频发送系统的结构及原理分 ~东北犬学硕士学位论文 第一章引言 析。第四章是对可编程逻辑器件选择原则的分析及对公司的系列 芯片.的分析。第五章是本设计的具体实现部分,也是本 人重点设计的部分。主要是根据项目进程分别介绍的控制实现,原射频系 统的相关芯片的替代以及整个射频系统的设计并调试实现。 一东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 第二章磁共振原理介绍 磁共振是自然界的一种现象,即处于静电场中的原子核吸收强磁场中存在的~ 定频率的电磁辐射作用时,将在它们的磁能级间产生共振跃迁,这就是磁共振现象。 在微观物质世界以量子力学原理为基础来阐述物质中的相互作用和用经典力学和电 磁学的理论在宏观效应上说明会得到相同的,本章仅用经典力学来解释磁共振 现象,并且介绍磁共振的成像相关原理。 .磁共振的经典力学观点 ..自旋核在磁场中的进动 行定向排列。设与直角坐标系的轴同向,并设与核磁矩之间的夹角为。 这时与相互作用的能量等于上述二向量点乘积的负值,即】: . /?风一‖玩 转陀螺在地球引力场中一样进动。它的旋转轴偏离垂直地面的方向,在重力 的作用 立原予核处于磁场强度为的磁场中,若磁矩与的方向不同,则磁场作用产 . “× 丁:了:‖× . ,冬:砌。鼠】 ?, 警厂‖×,,,睦每主 一东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 自旋方向 自 图.磁性核在磁场中的趱动.. 核磁矩对时间的变化率等于磁矩与磁场强度的矢量积并乘以磁旋比。写成分 量的形式: 汜. 警砌,吃噶即 警叫舻,他芝蔓丝,,段丑, 设与直角坐标系的轴同向,并设与核磁矩之间的夹角为?,则核磁 矩的各坐标分量如图.所示。 设,代入式.得: . 警删。 . “。 掣:一胁溉 一胁,甄 . 丝: 可以看出在轴上的投影是不变的,经过整理得: 一东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 . ‖掣?‖:‖;一 其中是常数。 图.进动时核磁矩各分量运动.. 由上式可以看出在平面上进行转动,转动频率为。。核磁矩将在静磁 场中围绕进动,进动频率为: . 功舰 式中的为核的旋磁比,它定义为磁矩与自旋角动量之比,为外加磁场的强 度,可以看出, 与和成,与和之间的夹角无关,这就是拉莫尔 ./? 进动,?称为拉莫尔进动频率。其中,氢质子的核磁比为: ..质子群的磁化过程 对于质子群,自旋的方向是杂乱的,小磁体自旋轴的排列无一定规律。当处在 静磁场的作用下时,这些质子自旋角动量将受磁场力矩的作用而定向排列删 如 图.所示。 把绕轴和.轴进动的质子可以用两个相对的顶点都在原点的圆锥体表示。 在这种表示方法中,上锥体表示自旋向上的质子,下锥体表示自旋向下的质 子磁 化过程如图.所示。 在开始时,各有一半围绕分别围绕轴和轴旋转,并且上下两边可 以交换。 一一东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 . 图.质子的进动方向 ..过一段时间后铷.,一部分质子吸收能量由下锥体翻转到上锥体,这时候 总的来看,上锥体的质子多余下锥体的质子数,即被部分磁化。 ? 岛 、: 、 心/吣/弋 卜?\?/\、‖ .图.质子磁化过程 .. 较长时间以后卢 ,下锥体中更多的质子翻转到上锥体中,并且达到动态平 衡状态且稳定,这时即被完全磁化。 在上锥体中还是在下锥体中进动的质子它们的磁矩的指向是不一样的。也就是 说,它们的相位是不一致的。这些相位随机的磁矩之和,或者说进动的平均效果, 可以用一个与轴同向磁化向量来表示,在开始时,磁化向量为零。过 一会后.,磁化向量增加,很长时间后,达到稳定状态,这是磁化向量达到 最大司。在静磁场的作用下,核磁矩将在静磁场中围绕进动,核磁 矩的能量不发生变化。如果在静磁场的垂直平面内旖加一个以角速度旋转的磁 场取,,就可使所具有的能量发生变化,并且常利用射频磁场的射频 一第二章磁共振原理介绍 东北大学硕士学位论文 能量来实现。开始时,交变磁场一旦加入,立刻受到一个相当于静磁场的作用, 这时,又将围绕进动,如图.所示。 口 / ?、、、 \ 烈。~ 图.核磁矩同时绕?进动 ..其进动频率为: . 峨店 这个进动影响到与静磁场之间的夹角,在静磁场中的能量也随着 的增加而增加,核磁矩从外界吸收能量。产生共振,共振条件为: . ?‰ 即交变磁场的频率和本身的进动频率。相同时,原来处于随机相位的进动 质子将趋向于同相,产生相位相干现象。当相位完全相同时,笈生共振。这时 质子 大量吸收交变场能量,当交变场撤走后会向外界释放吸收的能量。这就是磁 共振成 像中要监测的信号,因为所用的交变场频率都在射频范围内,所以把这个交 变场也 称为射频场。 当发生共振时,即相位相干时,磁化向量将偏离静磁场方向,偏离的角 度取决于,场的强度和持续时间。此时可以将分解成包含垂直分量和水平 分量。如果在平面内安放一个接收线圈,那么磁化向量绕轴的旋转将在 接收线圈中感生出一个与进动频率一致的正弦波。如图.所示。 一东北大学硕士学住论文 第.章磁共振原理介绍 、 厉;。 豸% 彳 加入射 / .。 接收线圈 图.射频脉冲加入后产生共振., 磁共振成像原理简介 ..射频信号对磁场中氢原子核的激发过程 在前一节已经知道,用特定频率的射频脉冲进行激发,作为小磁体的氢原子 核 吸收一定能量而共振,即发生了磁共振现象。磁化强度矢量将会偏离平衡位 置一个 角度,使得?,。?即磁化矢量的纵向分量小于平衡值,并出现横向分 量【【】。 现在发生共振后停止发射射频脉冲,则被激发的氢原子核把所吸收的能量逐 步 释放出来,其相位和能级都恢复到激发前的状态。这~恢复过程称为弛豫过程 ?,而恢复到原来平衡状态所需的时间则称之为弛豫时间 。磁化强度矢量的弛豫应该包括两个方面,~方面是,即 纵向分量的恢复;另一方面是,即横向分量的消失。对应两种弛豫时间,一种 又称纵向弛 是。的恢复时间为自旋.晶格弛豫时间 豫时间反映自旋核把吸收的能传给周围品格所需要 的时间,也是。射频脉冲质子由纵向磁化转到横向磁化之后再恢复到纵向磁 化激 发前状态所需时间,称。另一种是,的消失时间为自旋一自旋弛豫时间 反 ,又称横向弛豫时间 映横向磁化衰减、丧失的过程,也即是横向磁化所维持的时间,称。衰减是由 共振质子之间相互磁化作用所引起,与不同,它引起相位的变化。垂直于的 一东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 交变磁场即。激励脉冲作用后,去掉射频场后,的弛豫如图.所示。 已/ / 熬 以 ???心 一 /、、~ .一 ??、? \ , 一?八 、\\ / /?一 、\、. 图.的弛豫. 眠 . : 其中纵向磁化的表达式: . :一“ 由式.可以看出,受激核系统的纵向弛豫符合指数规律,其稳定状态为 。式中的表示在射频脉冲的激发下偏离。的角度,用。射频脉冲激发的 话,郎弛豫开始为。,则原式变为: . ::一‘ 图.为强豫:的变化曲线,弛豫开始, ,经过一个时亥?后, 己恢复至其稳态值的%,经过 时刻后,已恢复至其稳态值的%,弛豫 过程完成。横向磁化的表达式: . ? 用。射频脉冲激发,则: . 。 图.为弛豫。的变化曲线,弛豫开始,经过一个时刻后, ~一查苎查兰壁主兰堡堕查 苎三芏垡兰垫墨翌尘塑 已衰减到它初始值的%,经过时刻后,岛已衰减到最大值的%,弛豫 完成。丁? 图,弛豫:的变化曲线 、/ .. %啦 : ‰ ?八 盯 九 图.弛豫的变化曲线 .. 利用布洛赫方程分析 恒定: . 。 堕一 』, . ’ ” 堕一肚岛一鲁 只 : ?: 呻 . 正 一】一东北犬学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 得到: . 膨:‘ 考虑初始条件卸:,得到,这表明纵向分量不随时间而变。设 横向分量。“,可得: 一上 . 肘。一川?‘ 而,因此横向分量始终为零,即,,这说明在恒定外场中 不会出现自由进动现象。 在一期间,在轴方向加入射频场取: . 。 通过振荡线圈,通交变电流,振幅。,其中.,而且, 现在选一旋转频率为。的坐标系’,使交变磁场中右旋分量永远指向轴,将上 述条件代入’中的布落赫方程,贝日在一一时间内: . 堕: 研 “上剖 十 警:: . ’ 警一 出 . 其中。,利用初值条件“,,将式.. 联立在固定坐标系中看:,谢, 因为 在关闺射频场的时刻; ’ ,,: 国记讽一争 时,叫最小 得到当/时,‰最大, 。剐;当“/ ?“印。 当停止后,设’为时刻后开始计时的变量,则: 』 . ‘弦疋 在时刻开始计时,?/,若为射频脉冲,令’,得到: 』一 . 。:。咖专百 、 一?第二章磁共振原理介绍 东北大学硕士学位论文 这是磁化强度矢量在外加恒定磁场中的自由进动表达式。在自由进动中,与 的幅值要随时间衰减,衰减的特征时间为。如果这时在平面放景一个监测线 圈,则在至时间内线圈两端会由删产生一个感应的自由迸动信号, , 在时间后消失,这就是自由感应衰减信号 信号,线圈两端接受到的信号如图.所示。 信号 氟 肾 忭及。飞一~一 \ 珏,?一一孙一’ / / 图. 信号变化曲线 .. 在一般的系统上,经过射频信号激发后产生两种磁共振信号,一种称为 自由感应衰减信号,另一种为回波信号,现分别加以说明。 ..自由感应衰减信号 自由感应衰减信号是指用外力使偏离,产生一个匆,然后撤去外 力,磁化矢量将自由地绕进动,在。衰减为零的过程中检测到的信号便是 信号,比如,用一个射频脉冲,如图.所示,其中射频脉冲的持续时间为, 当满足下式: . 。 时,九?/,这称为。脉冲同理,铲/时为。脉冲。在以后 线圈两端便感应出图.中所示的信号,衰减的快慢用横向弛豫时间表示, 其衰减公式为: . 岛岛弦兹 ?东北大学硕士学位论文 第二章磁共振原理介绍 图. 信号.. ..回波信号 在系统上常用的是回波信号。产生回波信号的方法有两种:一 ,;另一种是反 种是用。射频脉冲来产生回波,称为自旋回波 转菜一个梯度场的极性,称为梯度场回波,。自旋回波信号如 图.所示。 一,一 一/?叫?一/一 卜一?,一 ’,龟 ?一 信号?一 一. .一 一. ’ ’” ’’矿 ”’一 匹二。一 一,一 图.自旋回波信号.. 梯度场回波信号的产生如图,所示。 图.梯度回波信号 .. 一?第二章磁共振原理介绍 东北大学硕士学位论文 除了上述的自旋回波序列和梯度回波序列外,还有反转恢复序列、部分饱和序 列等基本序列。 临床上根据不同需要采用各种不同的序列,尤其是一些快速序列的开发,使磁 共振的适用范围不断扩展。如快速自旋回波序列、快速梯度回波序列、平面回波序 列等,在此就不作详细介绍了。 东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 第三章直接频率合成器及研究 .直接频率合成器介绍 频率源是雷达、通信、电子对抗与电子系统实现高性能指标的关键,很多现代 电子设备和系统的功能都直接依赖于所用频率源的性能,因此频率源被人们喻为众 多电子系统的“心脏”。而当今高性能的频率源均通过频率合成技术来实现。传统的 频率合成器有直接频率合成器和锁相环频率合成器两种。直接频率合成方法具有频 率转换时间短、相位噪声性能好等优点,但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤 波等环节,导致直接频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高,而且容易产生过多 的杂散分量,难以达到较高的频谱纯度。锁相环式频率合成器具有很好的窄带跟踪 特性,可以很好地选择所需频率的信号,抑制杂散分量,并且避免了大量的滤波器, 有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是个惰性环节,锁定时间较长,故频率 转换时间较长。除此之外,由模拟方法合成的正弦波的参数,如幅度、频率和相位 都很难控制【】。 直接数字式频率合成,是近年来发展 起来的一种新的频率合成技术。年,美国学者.和.提出了以全 数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理,那就是 技术。限于当时的技术和器件水平,它的性能指标尚不能与已有的技术相比,故未 受到重视。近年间,随着电子技术和器件水平的提高,这种新的频率合成技术得 到了飞速的发展,它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代 频率合 成技术中的佼佼者。但频率上限较低和输出杂散较大这两个瓶颈问题还是在 一定程度制约了其应用。 .在年提出了一种新型复合式 结构。它由一个低速高分辨率的和一个高速、低分辨率的相位累加器构成, 其中低速部分提供了的细调,高速部分提供粗调。它具有高速、低功耗特点。 、等人在年介绍了一种时钟频率为.的连续波调频 .,它由一个双相位累加器和一个单片数模正弦转换器构成。 年,介绍了利用正弦和余弦的对称性改进存储技术,使之在不增加 的容量下,做成正交输出的方法。随着超高速,器件的发展, 输出带宽的限制正在逐渐被克服。但杂散则由于是其自身实现原理的特点所决 定的,故不可避免,这便成为艮制应用的主要因素。许多专家都对此进行了 大量的工作与研究。等人提出了降低杂散的两种方法,即单象限正弦波形存 储法和改进的查表算法。在改进的查表算法基础上建立了~种非常有效 一?东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 的压缩存储查表法,称为结构。 利用这种方法研制出了时钟频 率为的.,其杂散指标优于一。此外,还有人提出了噪声整 形方法以及噪声反馈的方法以改善杂散性能。噪声抑制技术则是将杂散均匀分布在 整个通带内,但却抬高了基底噪声。另外还可以通过采用自适应算法输入伪随机码 等方法来抑制杂散。可以预料,在今后很长一段时间内,研制出高时钟频率、 低杂 散、低相噪声器件仍是的发展方向。同时随着超大规模集成电路的迅速发展, 产品也正向着小型化,超高速,高可靠性方向发展。 按其输出信号及产生方式的不同可分为以下六类: 正弦/余弦信号输出; 脉冲信号输出; 三角波输出: 小数分频: 相位内插; 抖动注入。 因目前所见到的芯片几乎都采用正弦,余弦信号输出的形式,故这里只详 细介绍正弦信号输出的工作情况】。 .. 的基本结构 图.为系统的基本结构,图中的相位累加器由位全加器和位累加 寄存器级联而成,可对频率控制字的二进制码进行累加运算,是典型的反馈 电路, ,查找表的 产生的累加结果的高位作为只读存储器 取样地址值,而此查找表中储存了一个周期的正弦波幅度值。显然,此处可 以看作一个从相位到正弦幅值的转换器。这样,用的输出值来驱动数模转换 ,,然后经滤波即可转换成所需要的模拟正弦波 器 形;同时位累加输出可作为全加器的下一轮数据与频率数据相加,直至相位 累加 器加满产生溢出完成一个周期,也就是信号的频率周期。 频 密 控 制 字 基本结构 图. .. 一东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 ..。相位累加器 相位累加器是最基本的组成部分,用于实现相位的累加并存储其累加结 果。若当前相位累加器的值为,经过一个时钟周期后变为:,则满足: . ?? 由式.可见为一等差数列,不难得出: . ? 式中?为相位累加器的初始相位值。 相位累加器由一个比特加法器和一个比特相位寄存器构成,寄存器通常 采用个触发器来构成。 .,.相位幅值转换单元 正弦查询表所存储的数据是每一个相位所对应的二迸制数字正弦幅 值,在每一个时钟周期内,相位累加器输出序列的高位对其进行寻址,最后的 输 出为该相位相对应的二进制正弦幅值序列。易于看出,输出信号的最低相位 分辨率 可达: . ?曲:名 /上 式中为的地址比特数若不采取压缩的存储方法,则的存储量可 达×比特,其中为的输出位数。虽然存储量大能提高输出信号 的精度,提高无杂散动态范围,但却会造成功耗太大、可靠性较差等缺陷, 而且不利于的高速工作罔。 ...数模转换器 数模转换器的作用是将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的 模拟量形式信号,而实际上由于分辨率有限,其输出信号并不能真正地连续 可变,所以只能输出阶梯模拟信号。有电压和电流输出两种,美国公司 的芯片内部都集成有,称为.,这种结构简化了的系 统设计。如果没有集成,例如公司的某些芯片,此时为系统正确地 选择是一个十分关键的问题,因为的性能直接决定整个系统的性能。 根据前面的分析,不难得知频率控制字和时钟频率共同决定着输 出信号的频率,它们之间的关系满足: . %׉/” 一?东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 的最小频率分辨率最小频率分辨率是指频率控制字的最低位为,其 余位均为时的输出频率满足: . ?‘。。%。/” 由此可见,相兰于一个特殊的小数分频器。当改变频率控制字时,即 可改变输出频率。另外还可根据所需的输出频率来反算出对应的频率控制 字。但 实际运用所算出的很难为整数,因此不可避免地将会存在频率误差,经过分 析可 知,如将计算出来的频率控制码的小数部分采取四舍五入的算法,那么最终 输出 信号的频率误差 与最小频率分辨率的关系始终满足: . ?.?名。。 .. 的性能特点 在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力以及集成 化等~系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平,为 系统提 供了优于模拟信号源的性能。 极快的频率切换速度 是一个开环系统,无任何反馈环节,频率转换时间主要由附加的时 延来决定。如,转换时间即为?,若时钟频率升高,转换时间将 缩短,但不可能少于数字门电路的延迟时间。目前的调谐时间一般在/级, 比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 极高的频率分辨率 由?./”可知,只要增加相位累加器的位数即可获得任意小的频率 调谐步进。大多数的分辨率在,甚至的数量级。 低相位噪声和低漂移 系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定,合成信号 的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数系统应用中,一般由固定 的晶振来产生基准频率,所以其相位噪声和漂移特性是极为优异的】。 连续的相位变化 同样因是一个开环系统,故当一个转换频率的指令加在的数据输入 端时,它会迅速合成所要求的频率信号,在输出信号上没有叠加任何电流脉 冲,输 出变化是一个平稳的过渡过程,而且相位是连续变化的,这个特点也是独有 的。 在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号 的最低输出频率是所用的时钟频率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。 东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 奈奎斯特采样定理保证了直到该时钟频率一半的所有频率下,都可以再现信 号,即频率的上限讲。由合成器的最大时钟频率决定,即。莳/ 。 输出波形的灵活性 ,控制调相 只要在内部加上相应控制如调频 ,控制,即可以 ,控制和调幅 方便灵活地实现调频、调相和调幅功能。另外,只要在的波形存储器存放不 同波形数据,就可以实现各种波形输出,如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任 意的 波形。当的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时,既可得到正交的两路 输出。 易于集成、易于调整 中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件,除和滤波器外,无需 任何调整,从而降低了成本,简化了生产设备。 .. 的局限性分析 输出频带范围有限 由于内部和波形存储器的工作速度限制,使得输出 的最高频有限。目前市场上采用、、工艺制作的芯片,工作 频率一般在几十至左右。采用工艺的芯片工作频率可达 左右【】。 输出散杂大 由于采用全数字结构,不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个:相 位累加器相位舍位误差造成的杂散;幅度量化误差由存储器有限字长引起造 成 的杂散和非理想特性造成的杂散。 .. 的误差 相位累加器相位舍位误差 为了得到很高的频率分辨率,相位累加器的位数通常做得很大,但实际上由 于受体积和成本的限制,用来寻址的位数一般取值为要小于, 查表时相位累加器的低位.就被舍去,因而会引入相位舍位误差。由 相关理论可得: . .?‰ 由式.可知,对一般的芯片,由于相位截断造成的输出信号相位噪 声恶化很小。如对,其,,,,相位截断东北大学项士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 造成的相位噪声为一/。 幅度量化误差 任意一个幅度值要用无限长的比特流才能精确表示,而实际上查询表的 输出位数是个有限值,这就会产生幅度量化误差【。 设波形的位数为,由幅度量化误差造成的输出背景噪声的单边带功率 谱密度为: ,一 . 咒,詈?一 。 用表示为: . ?一屹如 的非理想特性 的各种非理想转换特性会影响输出频谱的纯度,产生杂散分量。 有限分辨率引起的量化噪声同波形有限字长的影响~样,其分析方法同上。 若的位数为,则有限分辨率对输出信号相位噪声的影响为; . 一吃拈 . 芯片的分析 公司生产的高集成度新型直接数字频率合成 是由美国 器。该芯片主要包括以下几个部分:参考时钟乘法器、程序寄存器、核心、 频 率累加器、函数滤波器、/转换器、高速比较器以及相关的传输逻辑控制单 元等。其结构框图如图.所示】?。 使用先进的技术,片内整合了两路高速、高性能的比特正交 数模转换器,可以同时产生、两路高品质正交可编程信号。在精确的参考时 钟 下,能够生成高稳定度,且频率、相位、幅度均可调的正弦/余弦信号,输 出信号的最高频率可达,可作为通信、雷达、测量等多种电子设备的信号 源。片内提供了~倍的可编程参考时钟乘法器,可以让设计人员使用较低的外 部时钟来产生高达的系统时钟,这不仅降低了电路设计难度而且减少了器 件成本。具有双比特频率寄存器和双比特相位偏移寄存器,在系统 时钟下生成信号的频率可达.××/”。具有比特振幅调 节和可编程的通断整形键控 /功能。用户可使用开/关整形键 控来控制两路信号的幅度,使之随时间变化而上升或下降。在数据突变传输 情况下,该功能可以有效地缓解频谱冲击和数据突变信号生 一一东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 成带来的不利影响。另外,片内还具有两个函数滤波器,该滤波器能够对信号 进行/校正,从而补偿输出频谱中固有的/的滚降?效 应,这种校正能够保证宽带信号。在从输出时,幅度不会随着频率变化而产 生明显起伏。 .睡憎号覃蕾鼍鼻,肇捧?谯埯垃瑶蜒鞋嚣蝗膏住髓 图. 内部结构图 .. 除以上特性外,还具有以下优良特性【: 采用先进的工艺,最高达的工作频率,输出频率范围: ~。 超高速比较器,每秒抖动偏差仅为。 优良的动态特性,在信号输出下仍可保证的无杂散动态 ,。其定义是: 范围. 输出信号的功率 可自动进行双向频率扫描。 单脚和数据接口,借助/接口实现 。 通过单脚频率“”功能实现线性获费线性 在时钟产生模式下,的线性频率总偏差小于每秒。 强大的读写能力。线或线串行接口,读写速度为;位数据、 。 位地址并行接口及读/写控制输入,读写速度达 其工作电压为..~.可以保证指标,最大耗散功率达 左右。东北大学硕士学位论文 第三章 直接频率合成器及研究 脚微封装形式,可以满足小体积的要求。有两种封装结构: 和。它们的主要区别在于:参考频率可达, 功耗可达;而的参考频率最高只能达到,功耗左右。在本系 统中使用的是,以下简称。 的优良性能决定了其应用布局现在频率合成领域,还可以用来做可编 程时钟发生器,用在测试或测量系统中,实现、、、等多种调制 方式以满足通信领域的需要。随着技术的广泛应用,是很有应用前景 的一款芯片。 , .. 的引脚分析 部分引脚说明如下: ~:~并行编程模式下的位并行数据/口。 ~:~并行编程模式下的位并行地址口。其中 与串行通信的复位端 复用,与串行数据输出口 复用,与线模式下的串行数据/口复用。 / :,频率更新端口。外部更新模式时要向寄存器内写数据, 先是写到端口的缓冲器里,等工作模示所需的数据写完后,再在此引脚上加 上一个 持续至少个系统时钟周期的高电平,使芯片按照所设置的方式运行。频率 更新也可以设置城内部更新模式,这时按照寄存器设置的值定时自动更 新频率,同时输出持续个系统时钟周期的高电平的同步信号。 /:,并行模式下的读控制端,与串行模式下时钟信号输入端 复用。 /:,并行模式下的写控制端,与串行模式下片选端复用。 //:,多功能复用引脚。工作模式下,低电平选择频 率,高电平选择;模式时,低电平选相位,高电平选相位; 模式时,高电平使输出保持当前频率。 :,高电平使输出又一个调幅过程,若电路设计 为低电平,将没有输出。 :,余弦单极电流输出端。 :,余弦单极电流互补输出端。 :,旁路电容连接端。 .,满幅输出设置:飓.//,范围为~ 。 :,串接.电阻和.到,构成参考 源倍频环路 ,滤波器的零补偿网络。 一?东北大学硕士学位论文 章 直接频率合成器及研究 :,差分时钟使能端,搞电平有效。的时钟输入有两 种方式:单端正弦输入和差分输入,具体采用哪~种方式,通过它来选择。 :,差分时钟的互补输入端。 :,单端时钟信号输入或差分时钟的另一输入端。 / :,编程模式选择端。逻辑高选择并行模式。 :,的复位端,持续个系统时钟周期的高电 平可仪准确复位,内部寄存器的状态为缺省状态。 .. 的工作模式分析 有五种工作模式,通过地址为的控制寄存器的来设置,设置方法 见表.。 本文简单介绍这些模式的控制时序以及编程步骤。 模式:点频输出 上电或复位后的默认模式就是这种模式,频率控制字寄存器的默认值为零。 加 电或复位后的默认值定义一个安全的无输出状态,产生一个、相位的输出信 号。默认的零幅度设置模式从和两个数模变换器中输出的都是直流,幅度为 中 等输出电流所对应的幅度。用户要得到所需的输出信号,必须编程个寄存器 中的 一些或全部。频率控制字的值由如下等式决定:输出频率艚/系统时钟频率, 其中是相位累加器为位,频率用表示,频率控制字是十进制数。 表. 工作模式选择表 ..对应工作模式 点频输出 频移键控 线性扫频 线性调频 二进制相移键控 算出十进制数,要四舍五入成整数,然后转化为二进制数。频率变化时相位是 连续 的,这就是说新频率用的是旧频率的最后相位作为起始相位。单调模式下用 户控制 信号的输出频率精度是位、输出幅度精度是位、输出相位位精度, 的串行编程接口 这些参数可通过字节率为的位并行或字节率为 改变或调制,可得到、、、、工作方式。控制时序见图.。 东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 频率 横式二五匝二匕再颐葡筒霭五茁五石磊二二 频率控制字二二二二二至二二二二二二 复位信号厂 颦新时钟信号??一 一几. 一一 一 图.模式的控制时序 .. ?模式:频移键控 首先在~和~寄存器分别设置好频率 和频率,再加调制信号。调制信号来自于,高电平输出,低电平输出?。 模式:线性扫频 模式余模式的不同点在于:和分别存储低频率和高频率,输出从 到扫描,扫描间隔和速度可以控制,控制寄存器中既可提供单独控制位以实 现 自动三焦形扫频过程,也可改变扫频速度以实现非线性扫频。 模式:线性调频 的不同点在于;没有频率的限制无需设置 与 ,它可以在整个带宽内从开始,按照用户设定的频率步进和每个 频点上的驻留时间产生线性或非线性的扫频模式。模式要求按需要设置 和,控制比较麻烦,但它可以实现比较复杂的扫频方式。另外,可 以让输出回到, 可以让输出回到零频,上的高电平信号可以让 输出保持当前频率,运用这些功能可以使控制简化。 模式:二进制相移键控 完全相同,只是模式将频 模式的工作方式几乎和 率和之间的切换变成了相位和之间的切换,此外,还要通过频率寄存 器对输出信号的频率进行控制。编程步骤为:在中写入载波频率;在 ~和甜也~中分别写入相位字和相位字;在加 上调制信号;加频率更新信号。 .. 的内部寄存器分析 内部具有两大类寄存器:数据寄存器和控制寄存器。东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 ... 数据寄存器 数据寄存器分为:相位寄存器、中心频率寄存器、偏移频率寄存器、内部更 新 寄存器、辅助输出量寄存器、输出幅度寄存器、输出斜率寄存器等。表. 为数据寄存器分布表。 ... 控制寄存器 控制寄存器由个,分别是节能控制寄存器、时钟控制寄存器、旁路控制寄存 器和工作模式寄存器,这个控制寄存器的串型模式中地址都为,而并行模式 则 不同,节能控制寄存器的并行地址为,时钟控制寄存器的并行地址为,工 作模式寄存器的并行地址为,旁路控制寄存器的并行地址为。表.中为 各控制寄存器的具体控制位的意义日。 表. 数据寄存器分布表 ..并行地址 对应寄存器 默认值 ~ 相位寄存器 ~ 相位寄存器 ~ 中心频率寄存器 ~ 中心频率寄存器 】~ 偏移频率寄存器 ~ 内部更新寄存器 ~ 输出斜率寄存器 ~ 输出幅度寄存器 ~ 输出幅度寄存器 ~ 辅助输出量寄存器 节能控制寄存器的并行地址为,主要是对节能方式的选择,即在 系统中有些不需要工作的部分采用节能方式。是高速比较器工作控制位,不 工 作设为‘’,反之设为‘’;是正弦工作控制位,不工作设为‘’,反 之设为‘’;是余弦工作控制位,只有该工作时才能输出波形; 是数字乘法器工作控制位,主要用于对输出信号的幅值进行~定范围内的调 制,不 工作设为‘’,反之设为。’。 时钟控制寄存器的并行地址为,主要是对内部时钟的设置。 是内部系统时钟范围标准位,为‘’时表明系统时钟频率为~ 一?东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 ,为‘’表明系统时钟频率在以下,该未可使器件内部更有效地 抑制系统时钟的相位噪声;用来设置。是否工作,为‘’则旁路,为 ‘’则使用;~是可编程乘法器的乘数,范围为~,系统时 钟频率就等于该数值乘以引脚的时钟频率。 表. 控制寄存器 .. 寄存器 控制功能说明 名称 ? 节能控制 寄存器 保留 保留 比较器节能位 正弦节能位 余霞节能位 数字乘法器节舱位 时钟控制 保留 范围控制位 旁路控制位 时钟乘法器倍数控制位 寄存器~ 工作模式 寄存器 累加器清除位 保留 工作模式选择 内/更新时钟位 累加器清除位 自动扫描控制位 “一 哟 旁路控制 寄存器 串行最低位 保留 /旁路位 数字乘法器旁路位乘数旁路 保留 串行使能 工作模式寄存器的并行地址为,主要是对工作模式的设置。 时频率累加器复位控制位,其为‘’则清零;是频率累加器复位控制位, 为。’则清零;是从起始频率到终止频率自动扫描的控制位, 为‘’则自动扫描,为‘’不进行自动扫描:是更新时钟为内部或外部控制 位,为‘’则使用内部更新寄存器的数值为计数器得初始值进行内部复位, 为‘’ 则外部脉冲作为更新控制:~是的工作模式选择位。 旁路控制寄存器的并行地址为,主要是对内部模块工作与否的选 择。是对/模块进行工作的选择,该模块对输出信号可起到抑制噪声的 功能,但该模块所消耗的功率比较大,该位为‘’时该模块被旁路,尤其在其间内 部时钟比较高时器件所消耗的功率可显著降低,为‘’时该模块正常工作; 和配合使用可以对器件内部乘法器进行选择,具体情况已在前文论述;是 串行方式的数据输入愉出高低位的标准,当为‘’时表明位最低位先输入,输出, 为‘’则最高位先输入辟靠出;为串行方式中,串行数据输出的标准位,为‘’ 则无串行数据输出,为。’由串行数据输出。 一东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 .. 关键组成部分的分析 内部和外部更新时钟 这项功能由一个双向/口和一个可编程的位逐减计数器完成。 用户编程的控制数据放在缓冲寄存器里,要使缓冲寄存器里的数据传送到的 运行核心,需要一个更新时钟信号。这个信号可由用户提供,也可由内部 产生。用户提供更新时钟,应使编程与更新时钟同步,这样可以防止因数据建立和 保持时间的原因而出现的编程信息传输错乱。更新后的程序信息有效时,该种模式 给用户提供了对芯片编程的完全的控制权。更新时钟的默认状态是内部提供内部 更新时钟控制寄存器位为高。更改为外部更新时钟模式时时钟控制位必须鬣为低。 内部更新模式自动生成与用户设置的时间周期一致的周期更新姝冲。 通过对位的更新时钟寄存器地址为.编程并且将内部更新时钟地 址为控制寄存器设置为高,这样可以建立内部更新时钟。更新时钟递减计数 器以/的系统时钟速率最大工作,从用户设置的位二迸制值递减。 当减至零时,自动产生输出的/更新时钟,更新时钟由控制是内部或 外部工作,允许用户对更新信息同步。更新脉冲之间的时间周期计算如下: . ‰ 此处为用户编程的位二进制值。的允许范围是从到.。上 输出得内部生成更新脉冲是固定的个系统时钟的高电平。值得注意的是,更新时 钟编程寄存器的值小于时,/更新口将保持为高电平。更新时钟还在工作,只 是用户不能利用该信号作为数据正在传输指示。这个是当/ 作为输出时,最 小高脉冲时间的影响结果。 通断整形键控 通断整形键控功能是用户控制数模转换器的输出幅度渐变上升和下降,可减 小 反冲频谱,幅度突变会在很宽的频谱范围内产生冲击,要用此功能首先要通过设置 ‘’ 控制寄存器的 位为逻辑高电平,使数字乘法器有效。若 则用来进行幅度控制的数字乘法器被旁路掉,和路满幅度输出。在数字乘 位为逻辑 法器有效的情况下即 ‘’,若控制寄存器的 高电平时输出幅度渐变可由内部自动进行,当‘’时输出幅度渐变由用 户编程控制。由内部进行时,如果“ ”端是高电平,输出幅度线性增 大到满幅度,并且一直保持到“ ”端变为低电平时,又线性降到零幅 度。从零幅度到满幅度的过渡时间由用户编程控制,过度时间是两个常熟和一个变 量的函数。变量是一个可编程的位斜率计数器,这是一个工作于系统时钟的减法 计数器,每当计数到零时输出一个脉冲,该脉冲传给一个为计数器。每收到一个 东北大学硕士学位论文 第三章直接频率合成器及研究 脉冲,该位计数器加或减,需要个这样的脉冲才能使位加计数器从零 计满。位计数器的输出接到位数字乘法器,数字乘法器的输入值是全“”时, 输入信号乘以,产生零幅度,数字乘法器全“”输入时,输入信号乘以,是满 幅度。乘法器有个可选值,各产生一个对应的输出幅度。最大输出幅度是 电阻器的函数,不能编程。两个常量分别是系统时钟周期和零到满幅度的个步 进量,其中系