基于dds的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(已修改)

　

【正文】 湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I 基于 DDS 的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)畢業(yè)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(guó)內(nèi)外的研究狀況 ...................................................2 ..............................................2 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較 .........................................3 本課題在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ........................................4第 2 章 信號(hào)發(fā)生器的方案設(shè)計(jì) ....................................4..............................................4 頻率合成器方案 ...................................................4 移相方案 .........................................................6 存儲(chǔ)器方案 .......................................................7........................................................8 DDS的基本原理 ....................................................9 FPGA實(shí)現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成器 ....................................10 移相原理 ........................................................10第 3 章 電路設(shè)計(jì) ...............................................14 FPGA設(shè)計(jì) DDS電路的具體實(shí)現(xiàn) ........................................14 相位累加器部分 ..................................................14 相位/幅度轉(zhuǎn)換電路 ...............................................14 波形表生成 ......................................................15 D/A轉(zhuǎn)換電路 .....................................................15 系統(tǒng)控制電路 ....................................................15 單片機(jī)與 FPGA的接口設(shè)計(jì) ...........................................15（FPGA）的選擇...................................17 其他電路設(shè)計(jì) ......................................................18 晶體振蕩電路 ....................................................18 地址計(jì)數(shù)脈沖產(chǎn)生電路 ............................................18 幅度控制電路 ....................................................19 單片機(jī)外擴(kuò)展存儲(chǔ)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(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) ...............................................22湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）II DAC0832芯片原理 .................................................24結(jié)束語(yǔ) ........................................................28參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30附錄 1 ........................................................31附錄 2.........................................................32附錄 3.........................................................34湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）0第 1 章 緒言 課題背景在一些電子設(shè)備的電路板故障檢測(cè)儀中，往往需要頻率、幅度都能由計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)的信號(hào)源。采用諸如 MAX038信號(hào)發(fā)生器芯片外加電阻及切換開(kāi)關(guān)等器件雖然也能調(diào)節(jié)頻率和幅度，但這種調(diào)節(jié)是離散的，且電路復(fù)雜，使用不方便。而采用直接數(shù)字合成芯片 DDS及外加 D/A轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成的可控信號(hào)源，可產(chǎn)生正弦波、調(diào)頻波、調(diào)幅波及方波等，并且其信號(hào)的頻率和幅度可由微機(jī)來(lái)精確控制，調(diào)節(jié)非常方便。另外隨著 21世紀(jì)的到來(lái)，人類正在跨入信息時(shí)代。現(xiàn)代通信系統(tǒng)的發(fā)展方向是功能更強(qiáng)，體積更小，速度更快，功耗更低。而大規(guī)模可編程器件 CPLD/FPGA在集成度、功能和速度上的優(yōu)勢(shì)正好滿足通信系統(tǒng)的這些要求。所以今天無(wú)論是民用的移動(dòng)電話、程控交換機(jī)、集群電臺(tái)、廣播發(fā)射機(jī)和調(diào)制解調(diào)器,還是軍用的雷達(dá)設(shè)備、圖形處理儀器、遙控遙測(cè)設(shè)備、加密通信機(jī)中,都已廣泛地使用大規(guī)模可編程器件 [2]。由于數(shù)字技術(shù)在處理和傳輸信息方面的各種優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字技術(shù)和數(shù)字集成電路的使用已經(jīng)成為構(gòu)成現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要標(biāo)志。電子系統(tǒng)的集成化，不僅可使系統(tǒng)的體積小、重量輕且功耗低，更重要的是可使系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此自集成電路問(wèn)世以來(lái)，集成規(guī)模便以 10倍/6 年的速度增長(zhǎng)。從 20世紀(jì) 90年代初以來(lái)，電子系統(tǒng)日趨數(shù)字化、復(fù)雜化和大規(guī)模集成化。為滿足個(gè)人電腦、無(wú)繩電話和高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的發(fā)展需求，電子廠商們?cè)郊悠惹械刈非箅娮赢a(chǎn)品的高功能、優(yōu)品質(zhì)、低成本、微功耗和微小封裝尺寸。為達(dá)到此目標(biāo)，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(hào)發(fā)生器作為電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子儀器，廣泛應(yīng)用于航空航天測(cè)控、通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗、電子測(cè)量、科研等各個(gè)領(lǐng)域中。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，如要求頻率穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)換速度快，具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等功能，另外還經(jīng)常需要兩路正弦信號(hào)不僅具有相同的頻率，同時(shí)要有確定的相位差 [4]。隨著數(shù)字信號(hào)處理和集成電路技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成（DDS）的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。DDS 具有相位和頻率分辨率高、穩(wěn)定度好、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、輸出相位連續(xù)、可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字與模擬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，而可編程門陣列（FPGA）具有集成度高、通用性好、設(shè)計(jì)靈活、編程方便、可以實(shí)現(xiàn)芯片的動(dòng)態(tài)重構(gòu)等特點(diǎn)，因此可以快速地完成復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)。由于模擬調(diào)相方法有生產(chǎn)性差、調(diào)試不方便、調(diào)制度控制不精確等缺點(diǎn)，因此采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)各種模擬調(diào)制也越來(lái)越普遍 [5]。現(xiàn)在許多 DDS芯片都直接提供了實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字調(diào)制的功能，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，而要實(shí)現(xiàn)模擬線性調(diào)制具有一定的難度。因此本設(shè)計(jì)介紹了一種由單片機(jī)控制，并采用 FPGA實(shí)現(xiàn) DDS功能，產(chǎn)生頻率和相位可調(diào)的正弦波信號(hào)的方法。湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)各種控制策略和算法的載體。波形發(fā)生器也可運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，通過(guò)巧妙的軟件設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波相位、頻率和幅值可調(diào)的信號(hào)。信號(hào)的頻率、相位可通過(guò)鍵盤輸入并顯示。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡(jiǎn)單方便，成本低。 國(guó)內(nèi)外的研究狀況 波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r 波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實(shí)驗(yàn)用信號(hào)源，是現(xiàn)今各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場(chǎng)上常見(jiàn)的波形發(fā)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(hào)發(fā)生器作為一種常見(jiàn)的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555振蕩電路發(fā)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(jī)。但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點(diǎn)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，如工業(yè)過(guò)程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機(jī)械振動(dòng)等領(lǐng)域常常要用到低頻信號(hào)源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號(hào)其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號(hào)源所需的 RC很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)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(diǎn)。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會(huì)大大增加。波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和用戶定義信號(hào)，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，還可對(duì)頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動(dòng)態(tài)、及時(shí)的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、震動(dòng)激勵(lì)、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在 70 年代前，信號(hào)發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時(shí)，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價(jià)格貴、功耗大等缺點(diǎn)，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號(hào)波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時(shí)，主要表現(xiàn)為兩個(gè)突出問(wèn)題，一是通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時(shí)期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實(shí)質(zhì)是采用微處理器對(duì) DAC 的程序控制，就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價(jià)格的函數(shù)發(fā)生器、但是 HP公司推出了型號(hào)為 HP770S的信號(hào)模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A 任意波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實(shí)際上也只能產(chǎn)生 8 中波形，而且價(jià)格昂貴。不久以后，Analogic 公司推出了型號(hào)為 Data2020 的多波形合成器，Lecroy 公司生產(chǎn)的型號(hào)為 9100 的任意波形發(fā)生器等。 而近幾年來(lái)，國(guó)際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：湖南工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2（1）過(guò)去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來(lái)越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開(kāi)發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。同時(shí)可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的公式復(fù)合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的飛速發(fā)展也對(duì)任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動(dòng)作用。目前可以利用可視化編程語(yǔ)言(如 Visual Basic ,Visual C 等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計(jì)算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的輸入。 （2）與 VXI資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨(dú)立的臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡以及新近開(kāi)發(fā)的 VXI模塊。由于 VXI總線的逐漸成熟和對(duì)測(cè)量?jī)x器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生復(fù)雜的波形，VXI 的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開(kāi)發(fā)VXI模塊的周期長(zhǎng)，而且需要專門的 VXI機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI模塊僅限于航空、軍事及國(guó)防等大型領(lǐng)域。在民用方面，VXI 模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺(tái)式儀器更為方便。 （3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺(tái)式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來(lái)。不過(guò)現(xiàn)在新的臺(tái)式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺(tái)式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價(jià)格，都比過(guò)去的類似產(chǎn)品減少了一半。 國(guó)內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較 早在 1978 年，由美國(guó) Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為 5MHz ，可以形成 256 點(diǎn)(存儲(chǔ)長(zhǎng)度)波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為 8bit，主要用于振動(dòng)、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號(hào)源，經(jīng)過(guò)將近 30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來(lái)越簡(jiǎn)