1、武汉理工大学毕业设计（论文） I 目 录 摘 要 .I Abstract . II 1 绪 论 . 1 1.1 信号发生器简介 . 1 1.1.1 国内外研究现状 . 1 1.1.2 信号发生器的分类 . 1 1.2 DDS 的背景和意义 . 2 1.3 任务设计的主要内容 . 3 2 系统原理分析 . 4 2.1 正弦波的产生方法 . 4 2.1.1 泰勒级数法 . 4 2.1.2 查表法 . 4 2.2 频率合成技术分析 . 5 2.2.1 几种主要频率合成技术的比较 . 5 2.2.2 直接数字频率合成 DDS 原理 . 6 3 系统设计方案分析 . 8 3.1 DDS 的几种实现技术方
2、案 . 8 3.1.1 采用高性能 DDS 单片电路的解决方案 . 8 3.1.2 采用低频正弦波 DDS 单片电路的解决方案 . 8 3.1.3 自行设计的基于 FPGA 芯片的解决方案 . 9 3.1.4 采用高速的微处理芯片的解决方案 . 10 3.2 采用高速微处理器的 DDS 的设计 . 10 3.2.1 频率预置和调节电路 . 10 3.2.2 相位累加器的设计 . 10 3.3.3 ROM 表的设计 .11 3.3 DDS 关键 技术设计 .11 4 硬件设计 . 13 4.1 芯片简介 . 13 4.2 整体电路设计 . 13 4.2.1 DSP 时钟电路设计 . 14 4.2
3、.2 复位电路设计 . 14 武汉理工大学毕业设计（论文） II 4.2.3 供电电源设计 . 15 4.2.4 人机接口部分设计 . 15 4.2.5 TMS320C5402 与 MSC51 的连接 . 16 4.2.6 5402 和 D/A 的连接 . 17 4.2.7 电路设计中注意的问题 . 18 5 信号发生器的软件设计 . 19 5.1 软件总体设计 . 19 5.2 单片机控制部分程序设计 . 19 5.3 DSP 和单片机的主机接口程序设计 . 20 5.3.1 主 机接口 HPI 程序设计 . 20 5.3.2 片内定时器设置程序设计 . 21 6 系统性能测试及总结 . 2
4、4 6.1 测试结果 . 24 6.2 测试结果误差分析 . 25 6.2.1 相位截断产生的误差 . 25 6.2.2 幅度量化产生的误差 . 25 6.2.3 DAC 转换误差产生的误差 . 26 6.2.4 其他噪声源带来的误差 . 26 参 考 文 献 . 27 致 谢 . 30 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘 要 在 21 世纪的今天，信号发生器已经广泛地应用于雷达应用，通信系统的仿真与测试等国防、科研和工业领域。而随着社会的不断进步和科研的不断深入，对信号发生器的波形可编程性、波形的精度与稳定性等性能提出了更高的要求。基于 DSP 的信号发生器正是以其编程的高度灵活性，波形的
5、高精度与高稳定性等特点而脱颖而出，具有极大的应用价值和广泛的应用前景。 该信号发生器主要由 TMS320C5402 和 AT89S51 两大部分组成。在 DSP 芯片上完成对波形的编程，在单片机上完成控制显示等功能，充分发挥芯片各自的优势。该信号发生器的硬件设计中 TMS3205410 和 AT89S51 采用主机接口 HPI 进行通信， DSP 接受来自单片机的命令，根据频率控制字得到相位累加器的累加值，最后将相位累加器的结果高 16 位送地址线，到 ROM 表中取得正弦波的离散值，送到 D/A 转换器进行数模转换，得到所需要波形。 该信号发生器的软件编程主要采用模块化的设计思想，把程序细化
6、成易于实现的小模块。 编程的语言主要采用执行效率高的汇编语言， C 和汇编语言混合使用的方式灵活的编写程序。 通过软硬件的联合调试最终正弦波的产生，并成功的实现了其波形频率的可调性。 关键字 ：信号发生器， TMS320C5410,AT89S51,主机接口 HPI 武汉理工大学毕业设计（论文） II Abstract Nowadays in the 21st century, the signal generator has been widely used in national defense, scientific research and industrial fields such
7、as radar applications, the simulation and testing of communication systems. With the developing of society and the deepening of scientific research, the waveform of the programmable and the accuracy and stability properties signal generator is needed for higher improved than before. DSP-based signal
8、 generator which is famous for its highly flexibility in its programming, highly-precision waveform characteristics with highly stability and come to the fore, has a great value and extensive application prospects in future. This signal generator is mainly composed of TMS320C5402 and AT89S51. comple
9、te the programming for wave generate on the digital signal processor and complete control and display function on the Microprogrammed Control Unit ,fully exert the advantages of chip. In the hardware design of the signal generator TMS3205410 and AT89S51 communicate by HPI interface, DSP microcontrol
10、ler Accept orders from the chip, According to the frequency control characters Obtain phase accumulators accumulative value according to the frequecy contronl word , and then send the high 16 bit result of Phase accumulators to address lines to obtained the discrete values of sine wave in ROM Table,
11、 then send it to D/A converter for analog-to-digital conversion,to generate the need waveforms. The software programming of the signal generator is mainly based on the modular design ideas, the refinement process into a small module is easy to implement. The programming language is a flexible one wh
12、ich is mainly used efficient assembly language, meanwhile C language and assembly language is mixed-use. The generated of waveforms such as sine wave is finally come true ,and the frequency adjustable is successfully realization ,with the joint commissioning of hardware and software. Key words: sign
13、al generator, TMS320C5410,AT89S51, Hardware platform interface 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 信号发生器简介 信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。 凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。 1.1.1 国内外研究现状 19世纪 80年代以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因
14、而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器。随着无线电应用领域的扩展， 针对广播、电视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方式的多样化，从调幅、调频、调相到脉冲调制。 1980年以后，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号。调制方式更加复杂，出现同相 /正交调制至宽频数字调制。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便的激励源 1。 目前，常用的信号发生器绝大部分由模拟电路或数字电路构成，体积和功耗都很大，价格也比较贵，已经无法满足高 精度
15、高稳定性能信号发生器的要求。随着微电子技术和计算机技术的发展，以 DSP 微处理器及 DSP 软硬件开发系统 (例如集成开发环境 CCS)及配套产品为内容已形成了庞大并极具前途的高新技术产业，而可编程逻辑器件、 SOPC 等新技术的应用迅速渗透到电子、信息、通信等领域，这些为新型高性能高精度信号发生器的设计提供了可能，其中一种最有前途的技术就是直接数字频率合成技术。 1.1.2 信号发生器的分类 信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形，逻辑信号源输出数字波 形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形 /函数发生器，其中函数信号发
16、生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波 /函数发生器输出用户自定义的任意波形；另外，信号源还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。信号源也可以按照使用频段分类，不同频段的信号源对应不同应用领域。 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 1）函数信号发生器 函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。 函数波形发生器在设计上分为模拟和数字合成式 。众所周知，数字合成式函数信号源（ DDS）无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（ S/N）均优于模拟式，其锁相环（ PLL）的
17、设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动（ phase Jitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模拟电路之间的干扰始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器，如今市场上的大部分函数信号发生器均为 DDS信号源。 2）任意信号发生器 任意波形发生器，是一种特殊的信号源，不仅具有一般信号源波形生成能力，而且可以仿真实际电路测试中需要的任意 波形。 由于任意波形发生往往依赖计算机通讯输出波形数据，在计算机传输中，通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，和更进一步的仿真实验。另外，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形
18、，有利于参考对比，或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。有些任意波形发生器有波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步实验验证。 1.2 DDS的背景和意义 频率合成技术迄今已经历了三代： 直接频率合成技术、锁相环频率合成技术、直接数字式频率合成技术。直接数字式频率合成 (Direct Digital Frequency Synthesis， DDFS或DDS)是第三代频率合成技术的标志，他的主要特点是计算机参与频率合成，既可以用软件来实现，也可以用硬件来实现，或二者结合
19、。 1971年，美国学者 J.Tierney等人撰写的“ A Digital Frequency Synthesizer” -文首次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给 成原理。限于当时的技术和器件产，它 的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近 1年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（ Direct Digital Frequency Synthesis简称 DDS或 DDFS）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姣姣者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带
20、正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比 2。 DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨率、相位连续性、正 交输出以及集成化等一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。 1）输出频率相对带宽较宽 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 输出频率带宽为 50%fs（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号误差的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到 40%fs。 2）频率转换时间短 DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得 DDS的频率转换时间极短。事实上，在 DDS的频率控制字改变之后
21、，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率时间等于频率控制字的传输，也 就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短 3）频率分辨率极高 若时钟 fs的频率不变， DDS的频率分辨率就是则相位累加器的位数 N决定。只要增加相位累加器的位数 N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数 DDS的分辨率在 1Hz数量级，许多小于 1mHz甚至更小。 4）相位变化连续 改变 DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 1.3 任务设计的主要内容 本文是基于 Ti
22、公司 TMS320C5402芯片设计的 一款高精度高性能信号发生器的设计与研究，以 TMS320C5402的硬件结构为基础，在 CCS开发平台上运用 C语言进行编写程序，控制波形的产生调整输出。全文阐述了基于 TMS32OVC5402 和 DDS技术实现信号发生器的设计原理和实现方法，详细介绍了所设计的信号发生器的硬件电路结构和程序设计流程图。包括以下内容： 1） 掌握基于 TMS320VC5402DSP实现信号发生器的设计原理和实现方法。 2） 完成相关的硬件电路设计，能够产生高达 10MHZ的正弦信号，可对信号的相关参数进行设置。 3） 完成软件编写并归档，为论文的撰写做准 备。 4） 发
23、挥部分：可以将该设计稍作外围扩展即可以作为一个语音数据采集系统。 5） 完成论文。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 2 系统原理分析 2.1 正弦波的产生方法 通常产生正弦波有两种方法，它们分别为泰勒级数法和查表法。 2.1.1 泰勒级数法 查表法是通过查表的方式来实现正弦波，主要用于对精度要求不很高的场合。 泰勒级数展开法是根据泰勒展开式进行计算来实现正弦信号，它能精确地计算出一个角度的正弦和余弦值，且只需要较小的存储空间， 但因其运算量较大 , 所以适用于对速度要求不严格的场合。 一个角度为的正弦和余弦 函数 ,都可以展开成泰勒级数 ,取其前五项进行近似 : （ 2-1） （ 2-2）
24、递推公式： sin(nx) = 2cos(x)sin(n-1)x-sin(n-2)x （ 2-3） cos(nx) = 2cos(x)sin(n-1)x-cos(n-2)x （ 2-4） 由递推公式可以看出，在计算正弦和余弦值时 ,需要已知 cos(x)、 sin(n-1)x、 sin(n-2)x和 cos(n-2)x。 式中 x为 的弦度值， x=2 f/fs，其中 f是要发生的信号频率， fs是采样频率。 正弦波可以看成是无数个点组成的，这些点与 x轴的每个角度值对应，通过给 x赋不同的值就得到每一点的正弦波幅度值。 2.1.2 查表法 正弦波是一个周期信号，因此相隔一个周期的角度值最后得
25、到的波形幅度值是一样的。同时在数字电路中正弦波可以看成是无数个点组成的，这些点连接成一条曲线就是我们平时看到的正弦波。每个点与 x轴的每个角度值对应，通过给 x赋不同的值就得到每一点的正弦波幅度值。 查表法的基本思想是预先在一片存储空间里存储一个正弦波的离散信号，存储的点数需要根据设计要求而定，需要产生信号时，根据设定的频率字改变相位，由相位值转化为对应的地址，得到相应的幅度值送至 D/A转换器进行转换，得到模拟正弦波。 查表法的优点是可以不需要进行计算就可以得到相应的数据，合成正弦波的速度极武汉理工大学毕业设计（论文） 5 快，适合于对实时性要求非常严格的场合。它的缺点是需要很大的存储空间来
26、存储波形数据，对波形的精确度越高，需要存储的点数就越多，所消耗的 存储空间就越大。 本文所设计的信号源是基于 DSP芯片的，由于 DSP具有高速运算性能，倘若采用泰勒级数展开法得到正弦信号，那么将耗费很多的时间在计算上，得不到高精度的信号源，因此本文采用查表法来设计信号源，充分利用 DSP的高速性能，通过查表法极快地合成所需要的信号。 2.2 频率合成技术分析 频率合成技术迄今已经历了三代：直接频率合成技术、锁相环频率合成技术、直接数字式频率合成技术。直接数字式频率合成 (Direct Digital Frequency Synthesis， DDFS或 DDS)是第三代频率合 成技术的标志，
27、他的主要特点是计算机参与频率合成，既可以用软件来实现，也可以用硬件来实现，或二者结合。 2.2.1 几种主要频率合成技术的比较 1) 直接模拟频率合成技术：相干合成方法是用一个晶体参考频率源，然后经过分频、混频和倍频来得到各种频率信号，输出频率的稳定度和精度与参考频率相同；非相干合成方法是用多个晶体参考频率源，然后把这些参考频率信号经过加减乘除来得到各种频率信号。 直接模拟频率合成技术简单易行、频率转换时间短、相位噪音低，但因采用了大量的分频、混频、倍频和滤波等模拟元件，使合 成器的体积大、易产生误差分量、元件的非线性难以得到抑制。 2) 基于锁相环（ PLL）的频率合成技术：锁相环主要由鉴相
28、器、低通滤波器和压控振荡器组成；鉴相器通过比较压控振荡器的输出信号和参考信号而产生相位控制信号，再经过低通滤波器后就直接去控制压控振荡器的输出，然后采用频率选择开关通过改变分频比来控制压控振荡器的输出信号频率。若在锁相环中插入数字分频器和数字鉴相器，即成为数字锁相环；数字锁相频率合成技术是目前的主流技术。因为锁相环相当于窄带跟踪滤波器，所以 PLL频率合成技术能够很好选择频率、抑制误差分量和大 量使用滤波器，有利于集成化 ,而且频率的长期和短期稳定性都很好。但是 PLL有惰性，频率分辨率和频率转换时间相互矛盾；频率转换时间较长；压控振荡器引起的噪音也较大。 3) DDS（直接数字合成）技术：采
29、用数字化技术，通过控制相位的变化速度来直接产生各种频率的信号。在带宽、频率分辨率、频率转换时间、相位连续性（相位变化连续）、调制输出（对输出信号易实现多种调制）和集成化等方面，都远远超过传统的频率合成技术。但是 DDS技术把幅度和相位信息也都用数字 量表示，故将会产生量化精度和量化噪音，从而造成输出信号的幅度失真和相位失真，使得 DDS的输出信号误差较大（误差频率多）；武汉理工大学毕业设计（论文） 6 同时 DDS的输出信号频带有限（为了有效分开输出频率和镜像频率，最高频率应该 0.5fs，更高的 fs要求器件的工作频率更高），这是限制 DDS技术发展的主要问题之一。然而，由于DDS是全数字化
30、结构，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、易于程控、使用灵活，性价比很高，故广为采用。 2.2.2 直接数字频率合成 DDS原理 直接数字频率合成器（ Derect Digital Synthesizer)DDS 是从相位概念出发直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术 3。 DDS 是利用信号相位与幅度的关系 ,对需要合成信号的波形进行相位分割 ,对分割后的相位值赋予相应的地址 ,然后按时钟频率以一定的步长抽取这些地址，这样按照一定的步长抽取地址 (相位累加器值 )的同时 ,输出相应的幅度样值 ,这些幅度样值的包络反映了需要合成信号的波形。 一个直接数字频率合成器由由相位累加器、加法
31、器、波形存储 ROM、 D/A转换器和低通滤波器 (LPF）构成。 DDS的原理框图如图所示。 图 2.1 DDS 的原理框图 DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个相位寄存器组成，每来一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0360 范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动 DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过 2N/K 个 fc 时钟后回到初始状态，相应地正 弦 查 询 表经 过 一 个循 环 回到 初 始 位置 ， 整
32、个 DDS 系 统 输出 一 个正 弦 波 。 DDS 的具体工作过程为：时钟脉冲每触发一次，累加器便将频率控制字与相位寄存器输出的累加相位数据相加，相加后的结果送至相位寄存器数据输入端。相位寄存器将累加器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到累加器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制字相加，同时将该次相位累加值输出。这样，相位累加器在参考时钟的作用下将以频率控制字 K 为步进值进行线性相位累加，当相位累加器累加满时，就会产生一 次溢出，以完成一个周期性的动作，这个周期就是 DDS 合成信号的一个频率周期，相位累加器的溢出频率就是 DDS 输出的信号频率。把累加的结果作为数据存相位累加器 相位寄存器 数据存储器 D/A转换 LPF 时钟
