基于dds的信號發生器的設計電氣畢業論文(已修改)

　

【正文】 湖南工業大學本科畢業設計（論文）基于 DDS的信號發生器的設計電氣畢業論文目 錄第 1章 緒言 ....................................................1 課題背景 ...........................................................1 課題研究的目的和意義 ...............................................1 國內外的研究狀況 ...................................................2 ..............................................2 國內外波形發生器產品比較 .........................................3 本課題在國內外的研究現狀 ........................................4第 2章 信號發生器的方案設計 ....................................4..............................................4 頻率合成器方案 ...................................................4 移相方案 .........................................................6 存儲器方案 .......................................................7........................................................8 DDS的基本原理 ....................................................9 FPGA實現的直接數字頻率合成器 ....................................10 移相原理 ........................................................10第 3章 電路設計 ...............................................14 FPGA設計 DDS電路的具體實現 ........................................14 相位累加器部分 ..................................................14 相位/幅度轉換電路 ...............................................14 波形表生成 ......................................................15 D/A轉換電路 .....................................................15 系統控制電路 ....................................................15 單片機與 FPGA的接口設計 ...........................................15（FPGA）的選擇...................................17 其他電路設計 ......................................................18 晶體振蕩電路 ....................................................18湖南工業大學本科畢業設計（論文） 地址計數脈沖產生電路 ............................................18 幅度控制電路 ....................................................19 單片機外擴展存儲器電路 ..........................................19 濾波、緩沖輸出電路 ..............................................20 鍵盤和顯示控制電路 ..............................................21 D/A轉換電路的設計 ...............................................22 DAC0832芯片原理 .................................................24結束語 ........................................................28參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30附錄 1 ........................................................31附錄 2.........................................................32附錄 3.........................................................34湖南工業大學本科畢業設計（論文）1第 1章 緒言 在一些電子設備的電路板故障檢測儀中，往往需要頻率、幅度都能由計算機自動調節的信號源。采用諸如 MAX038信號發生器芯片外加電阻及切換開關等器件雖然也能調節頻率和幅度，但這種調節是離散的，且電路復雜，使用不方便。而采用直接數字合成芯片 DDS及外加 D/A轉換芯片構成的可控信號源，可產生正弦波、調頻波、調幅波及方波等，并且其信號的頻率和幅度可由微機來精確控制，調節非常方便。另外隨著 21世紀的到來，人類正在跨入信息時代?，F代通信系統的發展方向是功能更強，體積更小，速度更快，功耗更低。而大規?？删幊唐骷?CPLD/FPGA在集成度、功能和速度上的優勢正好滿足通信系統的這些要求。所以今天無論是民用的移動電話、程控交換機、集群電臺、廣播發射機和調制解調器,還是軍用的雷達設備、圖形處理儀器、遙控遙測設備、加密通信機中,都已廣泛地使用大規模可編程器件 [2]。由于數字技術在處理和傳輸信息方面的各種優點，數字技術和數字集成電路的使用已經成為構成現代電子系統的重要標志。電子系統的集成化，不僅可使系統的體積小、重量輕且功耗低，更重要的是可使系統的可靠性大大提高。因此自集成電路問世以來，集成規模便以 10倍/6 年的速度增長。從 20世紀 90年代初以來，電子系統日趨數字化、復雜化和大規模集成化。為滿足個人電腦、無繩電話和高速數據傳輸設備的發展需求，電子廠商們越加迫切地追求電子產品的高功能、優品質、低成本、微功耗和微小封裝尺寸。為達到此目標，必須采用少量的 IC器件使面積盡可能小。 課題研究的目的和意義正弦信號發生器作為電子技術領域中最基本的電子儀器，廣泛應用于航空航天測控、通信系統、電子對抗、電子測量、科研等各個領域中。隨著電子信息技術的發展，對其性能的要求也越來越高，如要求頻率穩定性高、轉換速度快，具有調幅、調頻、調相等功能，另外還經常需要兩路正弦信號不僅具有相同的頻率，同時要有確定的相位差 [4]。隨著數字信號處理和集成電路技術的發展，直接數字頻率合成（DDS）的應用也越來越廣泛。DDS 具有相位和頻率分辨率高、穩定度好、頻率轉換時間短、輸出相位連續、可以實現多種數字與模擬調制的優點，而可編程門陣列（FPGA）具有集成度高、通用性好、設計靈活、編程方便、可以實現芯片的動態重構等特點，因此可以快速地完成復雜的數字系統。由于模擬調相方法有生產性差、調試不方便、調制度控制不精確等缺點，因此采用數字方法實現各種模擬調制也越來越普遍 [5]。現在許多 DDS芯片都直接提供了實現多種數字調制的功能，實現起來比較簡單，而要實現模擬線性調制具有一定的難度。因此本設計介紹了一種由單片機控制，并采用 FPGA實現 DDS功能，產生頻率和相位可調的正弦波信號的方法。湖南工業大學本科畢業設計（論文）2單片機是實現各種控制策略和算法的載體。波形發生器也可運用單片機技術，通過巧妙的軟件設計和簡易的硬件電路，產生數字式的正弦波相位、頻率和幅值可調的信號。信號的頻率、相位可通過鍵盤輸入并顯示。與現有各類型波形發生器比較而言，產生的數字信號干擾小，輸出穩定，可靠性高，特別是操作簡單方便，成本低。 國內外的研究狀況 波形發生器亦稱函數發生器，作為實驗用信號源，是現今各種電子電路實驗設計應用中必不可少的儀器設備之一。目前，市場上常見的波形發生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。信號發生器作為一種常見的應用電子儀器設備，傳統的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555振蕩電路發生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質量差，控制難，可調范圍小，電路復雜和體積大等缺點。在科學研究和生產實踐中，如工業過程控制，生物醫學，地震模擬機械振動等領域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的 RC很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復雜程度會大大增加。波形發生器是能夠產生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩定性、可重復性和易操作性的電子儀器。函數波形發生器具有連續的相位變換、和頻率穩定性等優點，不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態、及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統，因此被廣泛用于自動控制系統、震動激勵、通訊和儀器儀表領域。在 70 年代前，信號發生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數發生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形，產生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結合的方法。這個時期的波形發生器多采用模擬電子技術，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產生較為復雜的信號波形，則電路結構非常復雜。同時，主要表現為兩個突出問題，一是通過電位器的調節來實現輸出頻率的調節，因此很難將頻率調到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調節。在 70 年代后，微處理器的出現，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發生器的功能擴大，產生更加復雜的波形。這時期的波形發生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對 DAC 的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現幾種真正高性能、高價格的函數發生器、但是 HP公司推出了型號為 HP770S的信號模擬裝置系統，它由 HP8770A 任意波形數字化和 HP1776A 波形發生軟件組成。HP8770A實際上也只能產生 8 中波形，而且價格昂貴。不久以后，Analogic 公司推出了型號為 Data2020 的多波形合成器，Lecroy 公司生產的型號為 9100 的任意波形發生器等。 而近幾年來，國際上波形發生器技術發展主要體現在以下幾個方面：湖南工業大學本科畢業設計（論文）3（1）過去由于頻率很低應用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發生器能應用于越來越廣的領域。波形發生器軟件的開發正使波形數據的輸入變得更加方便和容易。波形發生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數段把波形數據存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成 v=f (t)形式的波形方程的數學表達式產生。從而促進了函數波形發生器向任意波形發生器的發展，各種計算機語言的飛速發展也對任意波形發生器軟件技術起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如 Visual Basic ,Visual C 等等)編寫任意波形發生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現波形的輸入。 （2）與 VXI資源結合。目前，波形發生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發的 VXI模塊。由于 VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領域需要使用 VXI系統測量產生復雜的波形，VXI 的系統資源提供了明顯的優越性，但由于開發VXI模塊的周期長，而且需要專門的 VXI機箱的配套使用，使得波形發生器 VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領域。在民用方面，VXI 模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。 （3）隨著信息技術蓬勃發展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現在新的臺式儀器的形態，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產品減少了一半。 國內外波形發生器產品比較 早在 1978 年，由美國 Wavetek 公司和日本東亞電波工業公司公布了最高取樣頻率為 5MHz ，可以形成 256 點(存儲長度)波形數據，垂直分辨率為 8bit，主要用于振動、醫療、材料等領域的第一代高性能信號源，經過將近 30年的發展，伴隨著電子元器件、電路、及生產設備的高速化、高集成化，波形發生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強。波形操作方