基于dds的數字式函數信號發生器設計論文(已修改)

　

【正文】 本科生畢業設計（論文）中文題目： 數字式函數信號發生器設計 英文題目： A DESIGN OF FUNCTION SIGNAL GENERATOR BASED ON DDS 景德鎮陶瓷學院本科生畢業設計（論文）摘 要直接數字合成是一種新的頻率合成方法,是頻率合成技術的一次革命,隨著數字頻率集成電路和微電子技術的發展,直接數字頻率合成技術日益顯露出它的優越性。本文利用直接數字頻率合成器(DDS)與單片機控制技術,研制和設計了高頻率、高穩定度的函數信號發生器。在系統總體方案設計中,將DDS信號發生器分成8個模塊:鍵盤模塊、單片機模塊、顯示模塊、DDS模塊、電源模塊、采樣保持與A/D轉換模塊、低通濾波器模塊和放大模塊，按模塊進行軟硬件設計。系統的硬件設計，完成了系統的硬件總體設計,并對具體實現電路進行詳細的分析和設計。在系統軟件設計中,對系統軟件的主要功能按模塊進行了介紹。關鍵詞：信號發生器 DDS 單片機 頻率 設計 ABSTRACT The Direct Digital Frequency Synthesis is a kind of new frequency synthesis method and also a revolution in the frequency synthesis techniques. With the development of digital integrated circuits and microelectronic techniques, DDS exhibits its advantages day by day. This Paper introduces a high frequency and high stability signal generator design based on MCU control technology and direct digital synthesis (DDS). In the over all system design, the DDS signal generators would be classified into 8 module: keyboard module, single chip module, display module, DDS module,power module,sample and hold module,A/D converse module,lowPass filter module and amplification module,where both software and hardware design are acplished according to each the design of system hardware,specific analysis and design for how to realize the electric circuits had been carried the design of system hardware,specific analysis and design for how realize the electric circuits had been carried out. In the design of system software,their main functions were introduced according to module.KEYWORDS: signal generator。 DDS。 MCU。 frequency。 design目 錄摘 要 IABSTRACT II目 錄 III1 緒論 1 選題背景 1 DDS技術的研究現狀與發展趨勢 2 選題研究的目的及意義 3 研究內容及目標 42 DDS信號源設計技術基礎 5 頻率合成技術 5 頻率合成技術指標： 5 直接數字頻率合成原理 6 DDS結構 6 DDS的工作原理 8 DDS數學原理 9 DDS性能特點 11 DDS芯片AD9850 12 AD9850簡介 12 AD9850的控制字與控制時序 15 AD9850頻率穩定度及頻率準確度 18 系統總體硬件框圖 19 MCU主控部分硬件設計 20 AT89C52的功能和結構 21 AT89C52的I/O口規劃 21 AD985O外圍電路設計 23 晶振的選擇 23 AD9850電源模塊的設計 24 AD985O接口電路 24 濾波電路 26 采樣保持與A/D轉換電路 29 29 A/D轉換 30 輸入輸出接口電路設計 32 輸入接口電路設計 32 輸出接口電路設計 33 功率放大器 39 電源模塊設計 40 軟件總體流程 42 系統初始化 43 AD9850初始化子程序 43 max7219初始化子程序 43 鍵盤掃描及按鍵識別子程序 44 波形數據產生 50 AD985O控制字的計算 50 控制字轉化子程序 51 控制字傳送子程序 52 A/D轉換子程序 53（只用六選一） 55 其它子程序 564+1 結論 574+2 經濟分析與報告 59致謝 60參考文獻 61附錄A 總程序 62附錄B 原理圖原件清單 73IV1 緒論 選題背景在電子技術領域中,經常要用一些信號作為測量基準信號或輸入信號,也就是所謂的信號源。信號源有很多種,包括正弦波信號源、函數發生器、脈沖發生器、掃描發生器、任意波形發生器、合成信號源等。作為電子系統必不可少的組成部分的信號源,在很大程度上決定了系統的性能,因而常稱之為電子系統的“心臟”。隨著電子技術的發展,對信號源的要求越來越高,要求其輸出頻率高達微波頻段甚至更高,頻率范圍從零Hz到幾GHz頻率分辨率達到mHz甚至更小,相應頻點數更多。頻率轉換時間達到ns級:頻譜純度越來越高。同時,對頻率合成器功耗、體積、重量等也有更高的要求。而傳統的信號源采用振蕩器,只能產生少數幾種波形,自動化程度較低,且儀器體積大、靈活性與準確度差。而現在要求信號源能產生波形的種類多、頻率高,而且還要體積小、可靠性高、操作靈活、使用方便及可由計算機控制。所以要實現高性能的信號源,必須在技術手段上有新的突破。當今高性能的信號源均通過頻率合成技術來實現,隨著計算機、數字集成電路和微電子技術的發展,頻率合成技術有了新的突破,直接數字頻率合成技術(Direct Digital Synthesis DDS),它是將先進的數字信號處理理論與方法引入到信號合成領域的一項新技術,它的出現為進一步提高信號的頻率穩定度提供了新的解決方法。同時,隨著微電子技術的迅速發展,尤其是單片機技術的發展,智能儀器也有了新的進展,功能更加完善,性能也更加可靠,智能程度也不斷提高,直接數字式頻率合成技術的出現導致了頻率合成領域的一次重大革命。直接數字頻率合成器問世之初,構成DDS元器件的速度的限制和數字化引起的噪聲這兩個主要缺點阻礙了DDS的發展與實際應用。近幾年超高速數字電路的發展以及對DDS的深入研究,DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達到鎖相頻率合成器相當的水平。隨著微電子技術的迅速發展,直接數字頻率合成器得到了飛速的發展,它以有別于其他頻率合成方法的優越性能和特點成為現代頻率合成技術中的佼佼者。具體體現在相對帶寬寬、頻率轉換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續、可產生寬帶正交信號及其他多種調制信號、可編程和全數字化、控制靈活方便等方面,并具有極高的性價比。現已廣泛應用于通訊、導航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現代化的儀器儀表工業等領域。信號發生器是一種常用的信號源,廣泛應用于電子測量、自動控制和工程設計等領域。隨著電子技術的發展,對信號源頻率的穩定度、準確度以及頻譜純度的要求越來越高。DDS(直接數字合成)技術是從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術,與傳統的模擬式波形產生法相比,它具有相位變換連續、頻率轉換速度快、分辨率高、穩定度高、相位噪聲小、便于集成、易于調整及控制靈活等多種優點。基于DDS技術的信號發生器是一類新型信號源,它已成為眾多電子系統中不可缺少的組成部分。 DDS技術的研究現狀與發展趨勢自20世紀80年代以來各國都在研制DDS產品,并廣泛地應用于各個領域。其中以ADI公司的產品比較有代表性,如AD700AD9850、AD985AD985AD9858等。其系統時鐘頻率從30MHz到300MHz不等,其中的AD9858系統時鐘更是達到了1GHz,這些芯片還具有調制功能。如AD7008可以產生正交調制信號,而AD9852也可以產生FSK(Frequency Shift Key)、PSK(Phase Shift Key)、線性調頻以及幅度調制的信號。這些芯片集成度高,內部都集成了D/A轉換器,精度最高可達12bit。同時都采用了一些優化設計來提高性能,如這些芯片中大多采用了流水技術,通過流水技術的使用,提高了相位累加器的工作頻率,而使得DDS芯片的輸出頻率可以進一步提高。通過運用流水技術在保證相位累加器工作頻的前提下,相位累加器的字長可以設計得更長,如AD9852的相位累加器達到了48bit。這樣輸出信號的頻率分辨率大大提高了。運用DDS技術生產的DDS任意波型信號發生器是較新的一類信號源并且已經廣泛投入使用。它不僅能產生傳統函數信號發生器能產生的正弦波、方波、三角波、鋸齒波,還可以產生任意編輯的波形。由于DDS的自身特點,還可以很容易的產生一些數字調制信號,如FSK、PSK等。一些高端的信號發生器甚至可以產生通訊信號。同時輸出波形的頻率分辨率、頻率精度等指標也有很大的提高。如HP公司的 HP33120可以產生10mHz一15MHz的正弦波和方波。同時還可以產生10mHz一5MHz的任意波形,任意波形深度 16K點。采樣率40M,還具備了調制功能,可以產生AM、FM、FSK、碎發、掃頻等信號。HP公司的HP33250可以產生1uHz一80MHz的正弦波和方波,產生1uHz一25MHz的任意波形,任意波形深度64K點,采樣率200M,同時也具備了AM、FM、FSK、碎發、掃頻等功能。,頻率分辨率10mHz。同時還具有AM、FM、PM、SSB、BPSK、FSK、碎發、 DTMF Generation和 DTMF Detection的功能,并且具有與PC機良好的接口,可以通過window界面的程序進行任意波形的編輯。除了在儀器中的應用外,DDS在通信系統和雷達系統中也有很重要的用途。通過DDS可以比較容易的產生一些通信中常用的調制信號如:頻移鍵控 (FSK)、一進制相移鍵控 (BPSK)和正交相移鍵控(QPSK)。DDS可以產生兩路相位嚴格正交的信號在正交調制和解中的到廣泛應用,是一種很好的本振源。但是DDS自身的特點決定了它存在著以下兩個比較明顯的缺點:一是輸出信號的雜散比較大,二是輸出信號的帶寬受到限制。當然隨著技術的發展,這些問題正在逐步得到解決,如通過增長波形ROM的長度減小相位截斷誤差。通過增加波形ROM的字長和D/A轉換器的精度減小D/A量化誤差。在比較新的DDS芯片中普遍都采用了12bit的D/A轉換器。當然一味靠增加波形ROM的長度和字長的方法來減小雜散,對性能的提高總是有限的。國內外學者在對DDS輸出的頻譜做了大量的分析以后,總結出了誤差的頻域分布規律建立了誤差模型,在分析DDS頻譜特性的基礎上又提出了一些降低雜散功率的方法:可以通過采樣的方法降低帶內誤差功率,可以用隨機抖動法提高無雜散動態范圍(在D/A轉換器的低位上加擾打破DDS輸出的周期性,從而把周期性的雜散分量打散使之均勻化)。在本文的第六章也將提到一種抑制DDS雜散性的方法,即將DDS與鎖相環 (Phase一Locked Loop, PLL)技術相結合。雖然,DDS技術的出現使得信號源的性能指標得到了飛躍,各種新的產品不斷推出,但是,目前市場上的信號源產品大多是通用型的,一般只能產生正弦波等標準波形。而不同領域需要不同的信號源,例如在雷達、通信等領域,就需要短波信號源,要求其具有頻移鍵控、調頻、調相等調制功能。所以,在很多應用中,都需要自己設計不同功能的信號源。 選題研究的目的及意義信號源作為一種信號產生的裝置己經越來越受到人們的重視,它可以根據用戶的要求,產生自己所需要的波形,具有重復性好,實時性強等優點,己經逐步取代了傳統的函數發生器。本課題的目的就是設計開發出一個能產生正弦波、方波、三角波等波形的信號源,信號源的頻率準確度為104,頻率穩定度為105,頻率范圍1Hz—1MHz,波形失真小于1%，而直接數字頻率合成技術是研制該系統所要解決的關鍵技術,因此對本文的研究不僅具有理論意義而且具有實用價值。 研究內容及目標l 電源電壓 單相220V177。10%l 電源頻率 50Hz177。2Hzl 輸出頻率 1Hz~1MHzl 頻率準確度： 104l 頻率穩定度： 105l 輸出電壓 0~3Vl 輸出功率 ≥1Wl 輸出波形 正弦波、方波、三角波（可以擴展編輯其他任意波形）波形失真 ≤1%本文的主要工作體現在以下幾點:(l)研究信號源設計的主要技術基礎,分析模擬合成法和直接頻率合成法等傳統設計方法的局限性以及DDS技術在信號發生器中應用的優勢。(2)闡述AD9850直接數字頻