1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 DDS 的多边形发生器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要 信号发生器是一种常用的信号源，广泛地运用在电子电路、自动化控制系统和教学过程中。在目前已有的各种频率合成技术中， DDS1技术以其优越的性能得到越来越多的运用，同时也在运用中促进了该技术的进一步优化和发展。 课题介绍一种以 AD 公司 DDS 芯片 AD9851 和凌阳 SPCE061A 为设计基础的波形发生器系统设计方案，该系统通过单片机控制 DDS 模块，输出设定频率的正弦波和方波，通过示波器观察无明显的失真，同时把预设定的值通过数显设
2、备显示出来。在设计中采用模块化的设计方法有利于尽早发现错误和及时改正。 系统设计的原理基于 DDS 原理，通过 DDS 芯片 AD9851 产生波形。如方波，正弦波等，同时可以通过外接键盘改变频率及幅度以达到课题要求。 最后通过显示屏显示预先设定好的各种数值。 关键词 ：波形发生器； DDS； AD9851； SPCE061A Abstract Signal generator is a common source， it widely used in electronic circuits， automatic control systems and teaching. In the pre
3、sent， in a variety of frequency synthesis， Direct Digital Frequency Synthesizer（ DDS） technology with its superior performance the use of more and more， while also promoting the use of the technology in the further optimization and development. Introduction of a company subject to DDS chip AD9851 an
4、d AD SPCE061A for the design waveform generator based on system design. So that it can control the DDS system through the microcontroller module， set the output sine wave and square wave frequency， through the oscilloscope without significant distortion. At the same time the setting is displayed by
5、digital display equipment. Principles of system design principles based on DDS， it selected by the required waveform look-up table method， such as square wave， sine wave， and etc. you can also change the frequency and amplitude of an external keyboard to achieve the requirements of the subject. Fina
6、lly， the display shows a variety of preset values. Keywords： Waveform Generator； AD9851; DDS; SPCE061A; 目 录 1 引言 . 1 1.1 函数信号发生器的定义 . 1 1.2 函数信号发生器的发展 . 1 1.3 函数信号发生器现状 . 2 1.4 本文研究的主要内容 . 2 2 总体设计 . 4 2.1 DDS 基本原理 . 4 2.2 基于各种原理的多波形发生器的设计 . 5 2.2.1 基于分立元件的多波形发生器设计 . 5 2.2.2 基于单片机技术的多波形信号发生器设计 . 6 2
7、.2.3 基于 FPGA 技术的多波形信号发生器设计 . 6 2.2.4 基于单片机控制 DDS 技术的多波形发生器设计 . 7 3 硬件设计 . 9 3.1 整体设计 . 9 3.2 部分单片机外围电路 . 11 3.2.1 晶振输入模块 . 11 3.2.2 复位电路 . 11 3.2.3 电源电路 . 11 3.2 DDS 模块介绍 . 12 3.2.1 AD9851 的各引脚功能 . 14 3.2.2 相位累加器 . 14 3.3 D/A 转换器 . 15 3.4 低通滤波器 . 15 3.5 键盘及显示模块 . 16 3.5.1 电路原理图 . 16 3.6 主控芯片 I/O 端口分
8、配表 . 17 分配表如图 3-13 所示。 . 17 4 软件设计 . 18 4.1 软件总体设计 . 18 4.2 频率设置程序 . 19 4.3 键值转换程序 . 20 4.4 波形转换部分 . 21 4.5 LCD 显示汉字部分 . 22 4.6 语音播报部分 . 23 4.7 整体实物图 . 24 5 结论 . 26 6 致谢 .错误 !未定义书签。 附录 1 部分程序源代码 . 29 1 引言 1.1 函数信号发生器的定义 函数发生器是使用最广的通用信号源， 可以 产生某些特定的函数波形（正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等），频率范围可从几微赫兹到几十兆赫兹， 另外有 些 函数信号发生
9、器还同时具有调制和扫描功能。 电子线路中的电流源、电压源一般是为电子器件提供能量的，也就是说器件要想工作 就 必须为它提供电能。区别就是虽然它们都以电的 形式出现，但前者提供的是电信号，后者只是提供电能。 1.2 函数信号发生器的发展 现代电子测量对信号源频率的准确度、稳定度的要求越来越高。一个信号源输出的信号频率的准确度、稳定度在很大程度上是依赖主振器输出信号频率的稳定度 2。传统的 LC、 RC 振荡电路已满足不了高性能信号源的要求，而利用频率合成器来代替传统的调谐信号源中的振荡电路就可以有效地解决上述问题。频率合成技术始于上世纪 30 年代，随着电子技术的急速发展，频率合成的技术的发展大
10、致上可分为直接模拟频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字频率合成技术三个 阶段。 1、传统的直接频率合成技术 (DS)。此类方法可实现快速频率变换，具有较低的相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于其采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致其结构复杂、体积庞大、成本昂贵，而且容易产生过多杂散分量。 2、锁相环式频率合成器 (PLL)。此类方法具有良好的窄带跟踪特性，可选择所需频率信号，抑制杂散分量，且省去大量滤波器，这样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，因而导致频率转换时间较长，且由模拟方法合成的正弦波的参数 (如幅度、频率和相位等 ) 都难以定量控制。
11、 3、直接数字式频率合成器 （ Direct Digital Frequency Synthesiz） 。该类方法具有高频率稳定度、高频率分辨率以及极短的频率转换时间 【 3】 。此外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，且理论上能够实现任意波形。 随着数字技术和器件水平的不断提高，直接数字频率合成得到了快速的发展它是在直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术，它突破了前两代频率合成法的原理，从“相位”的概念出发进行频率合成，这种方法不仅可以产生不同 频率的正弦波、方波、三角波，而且可以控制波形的初始相位，还可以用 DDS 方法产生任意的波形。
12、1.3 函数信号发生器现状 二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可达甚至超过 GHz 级的 DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展， 2003 年， Agilent的产品 33220A能够产生 17种波形，最高频率可达到 20M， 2005年的产品 N6030A能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。有上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快 4。 对目前而言，国外研究和使用的波形发生 器大多要求频率在 610 Hz-50MHz，产生正弦、三角、锯齿、方波、调幅等波形，而国内则对频率在 5* 310 Hz-40MHz，能产生正弦、三角
13、等基本波形的波形发生器需求大。 1.4 本文研究的主要内容 在计算机控制技术、电子技术飞速发展的今天， 波形 发生器的应用越来越广，对 波形 发生器的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出信号的频率微调分辨率等 提出 了 越来越高的 要求 ， 单一的频率源已经 远远 不能满足现代电子技术的高标准要求。国内外纷纷采用直接数字频率合成技术设计制作先进的信号发生器，从学术价值来看，直接数字式频率合成技术将会 很快 占据频率合成技术的主流，从实用价值来看，各高校中信号发生器应用极为广泛，能够设计出 基于 DDS 技术的低成本高精度信号发生器并推广使用具有非常重要的意义 5。 由于在教学实验中信号发生器的
14、用处非常重要 及广泛， 但传统的 波形 发生器存在 着 可靠性差、体积大、不能实现数控等缺点。 DDS 波形 发生器与 传统波形发生器相比，具有很大的优势。 DDS 是数字化高密度集成 电路产品，芯片体积小、功耗低，成为现代 波形 发生器的主流产品 6，是 传统波形 发生器的换代产品。 随着科技的飞速发展，现代的单片机， DDS、 FPGA、 等代替了传统的模拟电路，从高投入低效率向低投入高效率发展，参数调节及功能的升级不断换代 7。不管是用哪一种语言，哪种形式实现，系统设计简单，程序简洁易懂，能够满足各种环境、跟中场和需求并且具有很强实用性的 多波形 信号发生器的设计与实现方案一直是我们努力
15、的方向，我们要继续研究其更为优越的路线。更加满足 波形发生器用户在各种复杂条件的使用。 2 总体设计 2.1 DDS 基本原理 直接数字频率综合技术，即 DDS 技术，是一种新型的频率合成技术和信号产生方法。其电路系统具有较高的频率分辨率 8，可以实现快速的频率切换，并且在改变时能保持相位的连续，很容易实现频率、相位和幅度的数控调制。 图 2-1 DDS 基本原理 传统的生成波形例如正弦波的数字方法利用一片 ROM 和一片 DAC，再加上地址发生计数器和寄存器即可。在 ROM 中，每个地址对应的单元中的内容（数据）都相应于正弦波的离散采样值，整个 ROM 必须包含完整的正弦波采样值，而且还要注
16、意避免在按地址读取 ROM 中内容是引起的不 连续点，避免量化噪音9集中于基频的谐波上。时钟频率输入地址发生计数器和寄存器，地址计数器所选中的 ROM 地址的内容被锁入寄存器，寄存器的输出经 DAC 恢复成连续信号，即由各个台阶重构的正弦波，若 n（采样点对应的二进制数位宽）比较大，则重构的正弦波经适当平滑后失真很小。当发生改变，则 DAC 输出的正弦波频率就随之改变，但输出频率的改变仅决定于的改变。为了控制输出频率更加方便，可以采用相位累加振荡器，使输出频率正比于时钟频率和相位增量之积 10。图 2-1所示为采用了相位累加震荡方法的直接数字合成系统，把正弦波在 相位上的精度定为 n 位，于是
17、分辨率相当于 1/2。用时钟频率 Fp 依次读取数字相位圆周上各点，这里数字值作为地址，读出相应的 ROM 中的值（正弦波的幅度），然后经 DAC重构正弦波。这里比前面的简单系统多了一个相位累加器，他的作用是在读取数字相位圆周上各点时可以每隔 M 点读取一个数值，这样 DAC 输出的正弦波频率就等于 “ 基频 ” clkf / n2 的 M 倍。相位增量值可预置， 通过相位累加器，选取ROM 的地址时，可以间隔选通。相位寄存器输出的位数一般取 10-16 位，这是截断式用法，以减少 ROM 的容量。 如图 2-1 所示的 DDS 的基本原理组成框图中，参考信号为高稳性晶振（如采用 50MHz
18、有源晶振），其输出信号用于提供 DDS 各种部件的同步工作；作为DDS 核心的相位累加器，由一个 n 位字长的二进制加法器和一个有时钟 clkf 取样的 N 为取样器组成，作用是对频率控制字进行线性累加；波形存储器中所对应的是一张函数波形查询表 ，对应不同的相位码地址输出不同的幅度编码。当然由于放入波形 RAM 中的幅度码都是经过量化的，因此会存在量化误差 【 11】 。当相位控制为 0，相位累加输出的序列对波形存储器寻址，得到一系列离散的幅度编码。该幅度编码经 D/A 转换得到对应的阶梯波，最后经低通滤波器平滑后可得到所需的模拟波形。相位累加器在时钟的作用，进行线性相位累加，当相位累加器满量
19、程时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期，这个周期也就是 DDS信号的一个频率周期 12。 本系统采用了美国模拟器件公司先进的 DDS直接数字频率合成技术生产的高集成度产品 AD9851芯片。 AD9851相对于 AD9850的内部结构，只是多了一个 6倍参考时钟倍乘器，当系统时钟为 180MHz时，在参考时钟输入端，只需输入30MHz的参考时钟即可。 AD9851是由数据输入寄存器、频率 /相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的 DDS 芯片、 10位的模 /数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。其中具有 6倍参考时钟倍乘器的 DDS芯片是由 32位相位累加器、正弦函数功能查找表、 D/A 变换器以及低通滤波器集成到一起。这个高速 DDS芯片时钟频率可达 180MHz，输出频率可达 70MHz，分辨率为 0.04Hz。 2.2 基于各种原理的多波形发生器的设计 2.2.1 基于分立元件的 多波形 发生器设计 555 芯片是定时器，是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和
