1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 DDS 技术的数控信号发生器的设计 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 - 2 - 摘 要 近几年来 ,随着 DDS 技术的不断完善和发展 ,其输出频率、杂散、相位 噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高 , 出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能 , 应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域。 文章选择利用 DDS 技术，利用单片机控制 DDS 芯片 AD9850 产生正弦信号，同时为了使的功能更加完善，增加点频，扫频，跳频功能。先进行硬件设
2、计，再把编写的相应程序下载，调试，最后通过示波器观察输出波形。 DDS 输出频率为1Hz-10MHz 的正弦信号。 关键词 ：信号发生器； DDS；函数；硬件；波形 - 3 - Abstract In recent years, with the DDS technology, continuous improvement and development, the output frequency, spurious, phase noise, power consumption, integration, and other performance indicators have been
3、greatly improved over earlier products, there has been a series of excellent products. Because of its synthetic and signal modulation in the frequency and so on outstanding performance, range of applications has been extended to communications, aerospace, remote telemetry, instrumentation and other
4、electronics. Select the option of using DDS technology articles, Microcontroller chip using DDS AD9850 Sine signal, and in order to make more perfect the function of an increase point frequency sweep, frequency-hopping capabilities. First hardware design, then write the corresponding program downloa
5、d, debug, and finally through the oscilloscope output waveform. DDS output frequency is 1Hz-10MHz sinusoidal signal. Key Words: Signal generator;DDS; Function; Hardware; Waveform - 4 - 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 2 2.1 本设计任务 . 2 2.2 方案比较 . 2 3 硬件设计 . 4 3.1 DDS 原理 . 4 3.2 AD9850 芯片介绍 . 5 3.3 滤波器 . 6 3.4 单片
6、机系统 C8051F005. 10 3.5 按键 . 10 3.6 显示 . 11 4软件设计 . 12 4.1 主程序部分 . 12 4.2 AD9850 初始化 流程 . 15 4.3 串行发送流程 . 16 4.4 扫频时间控制程序设计 . 17 5 制作和调试 . 20 6 结论 . 21 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 附录 1 系统实物图 . 23 附录 2 实验原理图 . 24 附录 3 毕业设计作品说明书 . 25 - 1 - 1 引言 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
7、广泛的应用。 1971 年 ,美国学者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中新的频率合成原理 ,称之为直接数字频率合成器 (DDS)7。这是频率合成技术的一次重大革命。但是限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制 ,DDS并没有得到足够的重视 , 随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展 ,使得数字频率合成技术得到了质的飞跃 , 它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面 , 已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。但是由于 DDS 数字化实现的固有特点 ,决定了其输出频谱杂散较大，从 20 世纪 80年代末开始通过深入
8、的研究认识了 DDS 杂散成因及其分布规律后 ,对 DDS 相位累加器进行了改进 ,ROM 数据进行了压缩 ,使用了抖动注人技术以及对 DDS 工艺结构和系统结构进行了改进。这些改进技术促使了 AD、Qualcomm、 stanford 等公司一系列优良的 DDS 器件不断出现 1。但工艺的完善并没有彻底解决 DDS中 DAC的瞬态毛刺和非线性这些固有缺陷 , 而这些问题还会随着温度变化和电路工艺引人的数字噪声等发生随机变化 ,他们所带来的输出信号频谱质量劣化 很难改善 2。目前为止 ,DDS 输出的频谱杂散很少有做到 -60dB 以下的产品 ,一般比较好的产品都在 -70dB 左右。 近几年
9、来 ,随着 DDS 技术的不断完善和发展 ,其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高 , 出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能 , 应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域 1。 - 2 - 2 总体设计 2.1 本设计任务 (1)DDS 输出频率为 1Hz-10MHz 的正弦信号。 (2)为了增加频率控制方式的多样性，设计 频率控制的 3 种方式：点频，扫频，跳频，默认时为跳频。 (3)要求输出信号的幅度可以调节。 (4)具有功能按键及 LED 亮灯标志，同时液晶显示器上显示相应的功能，及频率的大小。 2
10、.2 方案比较 根据题意，信号发生器要产生一个正弦波，还要实现频率控制的多样性， 为了使本设计的稳定性、精确性与实用性等方面，描述了下面三种方案进行比较。 方案一： 该方案采用单片机的定时器产生信号，由于定时器的定时时间只能是整数，因此，不可避免会在一些频率点上产生误差，为此，用 Excel 对计数值、真实频率值作了测算，经过测算表明， 当采用 12M晶振时，绝对误差最大约 0.12HZ（ 492Hz 处），相对误差最大约 0.024%（ 492Hz 处）。当然，这仅是理论值，考虑到单片机定时中断的响应时间等因素，实际的误差肯定要比这个计算值大，但是要达到 1% 的精度要求并不难，而其长期工作
11、的稳定性取决于晶振的稳定度，并且晶振频率的变化引起的输出频率的变化也很微小，因此其长期工作稳定性也很好。 但此方案较繁琐，波形也不稳定 14。 方案二： 目前市场上可以见到很多采用先进 CMOS 工艺生产的高性能和多功能的专用 DDS 芯片 ， 但是在某些场合 ， 专用 DDS 芯片在控制 方式、频率控制等方面与系统的要求差距很大， 这时用 FPGA 按照自己的需要来“定制” DDS 电路 ，是一个很好的解决方案。 FPGA 能 达到较高的系统时钟频率 ， 用它实现 DDS 电路 ，其输出频率可接近与时钟频率 ；还 可以根据需要实现各种复杂的调频、调相、调幅功能， 具有良好的实用性和 可控性
12、。 采 用这 种方 法 设计 的 DDS 具 有集 成 度高 、电路 设 计简单 、 功耗低 、 分辨率高等特点 ， 具有相当大的 灵活性和很 高的实用价- 3 - 值 10。 方案三：采用通用的 51 单片机 C8051 为主控制器， AD9850 与单片机之间采用串行连接方式 ,参考时钟由 125MHZ 的晶体振荡器产生。 DDS 信号输出频率为 ，只要更改频率控制字即可得到不同频率的正弦信号。扫频信号的产生是采用单片机定时更改 AD9850 的频率控制寄存器的值，从而得到不同频率的信号 ;点频信号的产生，把键盘输入的值更改 AD9850 的频率控制寄存器值，从而产生规定的频率信号。由于
13、AD9850 产生的信号强度比较小，需将信号经过放大滤波后输出。键盘用于设置扫频信号的起始、截止频率和步进值。液晶显示是显示工作模式，以及频率值。原理图如图 2-1。 图 2-1 信号 发生器原理图 比较结论： 从题目要求来看，上述三种方案都可以满足题目合成频率范围的要求，但信号发生器产生的频率稳定度、精确度都不如 DDS 合成的频率， 锁相频率合成 技术很难将 波形频谱 显示无杂波，所以选择 DDS 芯片的方案进行本方案。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。 补偿晶振 键盘输入 单片机51 系列 AD9850 液晶显示 低通滤波 - 4 -
14、 3 硬件设计 3.1 DDS 原理 DDS 技术是一种把一系列数字量形式的信号通过 DAC 转换成模拟量形式的信号合成技术。目前使用最广泛的一种 DDS 方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速 DAC 产生已经用数字形式存入的正弦波。 DDS 的理论基础是香农抽样定理。抽样定理内容是：当抽样频率大于等于模拟信号频率的 2 倍时，可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复原始信号。在DDS 中，这个过程被颠倒过来了。 DDS 不是对一个模拟信号进行抽样，而是一个假定抽样过程已经发生且抽样的值已经量化完成，如何通过某种映射把已经量化的数值送到 D/A 及后级的 LPF 重建原始信号的问题 8。 正
15、弦输出的 DDS 原理框中的系统时钟及参考频率源为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于 DDS 中各器件同步工作。 DDS 工作时，频率控制字 FCW 在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值（ 0 2）在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表 ROM，将相位信息转变成相应的数字化正弦幅度值， ROM 输出的数字化波形序列再经数模转换器（ DAC）实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后 DAC 输出的阶梯序列波通过低通滤波器（ LPF）平滑滤波后得到一个纯净的正弦信号。 DDS 的系统框图如下图 3-1。 图 3-1 DDS 系统框图 - 5 - DDS 的频率分辨率为： N
16、rff 2/ （ 3-1） DDS 的输出频率为： Nro fKf 2/ （ 3-2） 式中： f0为 DDS的输出频率； fr为参考时钟频率； N为相位累加器长度位数； K为频率控制字。通常，相位累加器位数较大，例如 N=32或 48，故用 DDS技术能得到较高的频率分辨率。 3.2 AD9850 芯片介绍 AD9850 是 AD 公司生产的最高时钟为 125 MHz、采用先进的 CMOS 技术的直接 频率 合成器，主要由可编程 DDS 系统、高性能模数变换器（ DAC）和高速比较器 3 部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成 4。 输出电流和可调电阻关系为： I=32*（ 1.248/R
17、），当电阻为 3.9K 时， DAC 的输出电流为 10mA，这样在 100电阻上的峰峰值为 1V。所以输出电压会随着电阻 R的变大而变大。 AD9850 在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之间后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出，此正弦波可直接用作频 率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。在 125MHz 的时钟下， 32位的频率控制字可使AD9850 的输出频率分辨率达 0.0291Hz；并具有 5 位相位控制位，而且允许相位按增量 180 、 90 、 45 、 22.5 、 11.25 或这些值的组合进行调整。 AD9850 8 位数据线 D0 D7， AD98
18、50 的频率 /相位控制字一共有 40 位，采用并行加载方式时，需连续加载 5 次。串行方式时，仅使用 D7 位（管脚 25），AD9850 引脚 WCLK 是加载时钟，与引脚 FQUD 配合，完成数据加载， FQUD 为频率 /相位更新控制，在 FQUD 的上升沿， DDS 更新频率、相位，同时将指针指向第一个寄存器 W0， CLKIN 是 AD9850 的参考时钟，即芯片的工作时钟频率，可由晶振提供，本文中选择 AD9850 的时钟为 125MHz，数据传送采用串行方式，连接图如下 - 6 - 图 3-2 AD9850 连线图 3.3 滤波器 一般用一个可实现的衰减特性来逼近理想特性，且使
19、衰减的变化处在所规定的容限之内，根据不同的逼近原则、不同的衰减特性，选择不同响应的滤波器。低通滤波器的频率响应主要有三种：巴特沃斯滤波器（最平坦响应滤波器）、契比雪 夫滤波器、椭圆函数滤波器 9。 巴特沃斯滤波器的响应最为平坦，它的通带内没有波纹，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大，缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱，过渡带不够陡峭。契比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个上限值之间做等起伏变化，阻带内衰减单调增大，带内有起伏，但过渡带比较陡峭。椭圆函数滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。比较起来，椭圆函数滤波器性能更好。 椭圆函数滤波器又叫考尔 (Cauer) 滤波器 ,它的传递函数在有限频率上既有零点又有极 点 ,零极点在通带内产生等波纹 ,但零点在阻带内减小了过渡区 ,因此可以得到陡峭的衰减曲线。椭圆函数滤波器的传递函数为 3： 221 1 nH (3-3) 其中 ,为波纹参数 ,En( )为 n阶椭圆函数 ,用零极点式可表示为： 22322222122222221111 aaa aaa mn (3-4)
