[發明專利]高溫單片相位可編程直接數字頻率合成源

無效

• 申請號: 200710064789.7
• 申請日: 2007-03-26
• 公開（公告）號: CN101276002A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 李焱駿;張瑞;師奕兵;張雷
• 申請（專利權）人: 中國海洋石油總公司;中海油田服務股份有限公司
• 主分類號: G01V3/18
• 分類號: G01V3/18;H03L7/16
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司
• 代理人: 龍洪;霍育棟

技術領域

本發明涉及一種陣列相位感應測井儀器，具體說，涉及一種高溫單片相位可編程直接數字頻率合成源。

背景技術

陣列相位感應測井儀器的時鐘源是為陣列相位感應儀器的接收機提供時鐘的裝置。其功能主要是為陣列相位感應儀器的接收機提供兩路同頻率時鐘，其中時鐘頻率可變，并且兩路時鐘信號的相位差也可以調整。

感應儀器時鐘源現在通常做法有兩種，第一種做法，采用多個不同頻率的晶振，滿足各頻率點的要求，通過移相電路得到期望的相位差。

第二種做法，采用DDS芯片產生各頻率點信號，通過移相電路得到期望的相位差。直接數字式頻率合成(DDS，Direct?Digital?Synthesis)技術是近年來隨著數字集成電路和計算機的發展而迅速發展起來的一種新的頻率合成技術。DDS一般由相位累加器、波形存儲器、數模轉換器及低通濾波器組成，其基本原理就是將波形數據先存儲起來，然后在頻率控制字M的作用下，通過相位累加器從存儲器中讀出波形數據，最后經過數/模轉換和低通濾波后輸出頻率合成。這種頻率合成方法可以獲得高精度頻率和相位分辨率、快速頻率轉換時間和低相位噪聲的頻率信號，而且結構簡單集成度高。

直接數字頻率合成技術采用全數字的方式實現頻率合成，與傳統的頻率合成技術相比，具有以下特點：

(1)頻率轉換快。直接數字頻率合成是一個開環系統，無反饋環節，其頻率轉換時間主要由頻率控制字狀態改變所需的時間及各電路的延時時間所決定，轉換時間很短。

(2)頻率分辨率高、頻點數多。DDS輸出頻率的分辨率和頻點數隨累加器的位數的增長呈指數增長。分辨率高達μHz。

(3)相位連續。DDS在改變頻率時只需改變頻率控制字(即累加器累加步長)，而不需改變原有的累加值，故改變頻率時相位是連續的。

(4)相位噪聲小。DDS的相位噪聲主要取決于參考源的相位噪聲。

(5)控制容易、穩定可靠。高集成度、高速和高可靠性是FPGA/CPLD最明顯的特點，其時鐘延遲可達納秒級，結合其并行工作方式，在超高速應用領域和實時測控方面有非常廣闊的應用前景。在高可靠應用領域，若設計得當，將不存在類似MCU復位不可靠和PC跑飛等問題。CPLD/FPGA的高可靠性還表現在，幾乎可將整個系統集成于同一芯片中，實現所謂片上系統，從而大大縮小了體積，易于管理和屏蔽。

綜上，采用FPGA來實現DDS有明顯的好處，再加上目前的主流FPGA芯片都集成了PLL鎖相技術，所以在同時需要使用DDS和PLL的應用中使用FPGA是不二之選。

參照圖1所示，DDS本振電路包括DDS電路、PLL電路和分頻電路，在基準時鐘的控制學產生兩路本振信號(本振信號1和本振信號2)。

參照圖2所示，DDS的工作原理是以數控振蕩器的方式產生頻率、相位可控制的正弦波。DDS電路一般包括基準時鐘、頻率累加器、相位累加器、幅度/相位轉換電路、D/A轉換器和低通濾波器(LPF)。頻率累加器對輸入信號進行累加運算，產生頻率控制數據X(frequency?data或相位步進量)。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器級聯而成，對代表頻率的2進制碼進行累加運算，是典型的反饋電路，產生累加結果Y。幅度/相位轉換電路實質上是一個量化波形存儲器，以供查表使用。讀出的數據送入D/A轉換器和低通濾波器。具體工作過程如下：每來一個時鐘脈沖Fclk，N位加法器將頻率控制數據X與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，把相加后的結果Y送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時鐘周期作用后所產生的新的相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時鐘的作用下繼續與頻率控制數據X相加；另一方面將這個值作為取樣地址值送入幅度/相位轉換電路(即圖2-14中的波形存儲器)，幅度/相位轉換電路根據這個地址輸出相應的波形數據。最后經D/A轉換器和低通濾波器將波形數據轉換成所需要的模擬波形。

相位累加器在參考時鐘f_c作用下進行累加，相位累加的步進幅度由頻率控制字M決定。設相位累加器為N位(其累加值為K)，頻率控制字為M，則每來一個時鐘作用后累加器的值為：K_t+1＝K_t+M，若K_t+1＞2^N，則自動溢出，N為累加器中的余數保留，參加下一次累加。將累加器輸出中的高A(A＜N)位數據作為波形存儲器的地址，即丟掉了低位(N-A)的地址(又稱為相位截尾)，波形存儲器的輸出經D/A轉換輸出和濾波后輸出。