自動化畢業論文：基于ad9851的dds信號源發生器(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 gnal generator consists of three blocks， those are signal generate module、 keyboard and LCD display module、 signal processing module． Software of the system mainly focuses on the design of C51 including control、 data processing、 munication， and so on． The corresponding PCB has been made and debugged． The whole circuit works well． The signal generator has many virtues， such as generating multiple sorts of signals， high precision and wide frequency width． The noise inversion and optimization of spurious suppression characteristic are analyzed in depth according to requirement of the synthetic performance ． At last,this paper proposes improvement program by paring the actual circuits． Keywords： signal generator； DDS； AD9851。frequency synthesis. 河南大學本科畢業生學士學位論文 第 1 頁 第 1 章 緒論 隨著現代電子技術的發展，在自動化系統、通信系統，電子對抗以及各種電子測量技術中，我們常常需要一個高精度、頻率可變的信號源。近年來隨著直接數字頻率合成技術（ Direct Digital Frequency Synthesis，簡稱 DDS）的發展，這個問題已經得到很好的解決，與傳統的頻率合成技術相比， DDS 具有頻率分辨率高、頻率轉變速度快、輸出相位連續、相位噪聲低、可編程和全數字化、便于集成等優點。用 DDS 合成的頻率源是目前很高級的技術，研究該信號源有比較重要的理論意義和現實意義。 課題來源 該題目是自選題目 課題背景 在現代雷達、通信、電子對抗等系統中頻率合成器有著廣泛的應用，它是 電子系統的心臟，是決定電子系統性能的關鍵設備，很多現代電子設備和系統 的功能都直接依賴于所使用的頻率合成器的性能。直接數字頻率合成 (DDS)技術是近二十年新興的一種頻率合成技術，它具有分辨率高、切換速度快、相 位連續等一系列優點。由于 DDS技術具有眾多優點，使得它在通信領域如數字調制、移動通信、擴頻通信等方面得到了廣泛使用。 直接數字頻率合成技術的現狀 隨著數字信號理論和超大規模集成電路 VLSI 的發展，在頻率合成領域誕生 了一種革命性的技術，那就是七十年代出現的直接數字頻率合成 DDS，它的出現標志著頻率合成技術邁進了第三代。 1971 年 3 月 和 等人首先提出了 DDS 的概念；利用數字方式累加相位，再以相位之和作為地址來查詢正弦函數表得到正弦波幅度的離散數字序列，最后經 D／ A變換 得到模擬正弦波輸出。在系統時鐘一定的情況下，輸出頻率決定于頻率寄存器中的頻率字。而累加器的字長決定分辨率。基于這樣的結構 DDS 頻率合成器具有以下優點： (1)頻率分辨率高，輸出頻點多，可達 2N個頻點 (N 為 DDS 相位累加器的字河南大學本科畢業生學士學位論文 第 2 頁 長 )； (2)頻率切換速度快，可達岸 us 量級； (3)頻率切換時相位連續； (4)可以輸出寬帶正交信號； (5)輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；(6)可以產生任意波形； (7)全數字化實現，便于集成，體積小，重量輕。 運用 DDS 技術生產的 DDS 任意波形信號發生器是一類較新的信號源 并已 經廣泛投入使用。它不僅能產生傳統函數信號器能產生的正弦波、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信信號。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。 本文的主要工作 本論文的任務是根據 DDS 信號發生器的特點和應用情況，結合新一代高性能芯片設計一種使用簡單、性能優良的信號發生器。整個系統以單片機 STC89S52控制， DDS 芯片 AD9851 為核心，配置相應的外設及 接口電路，用 C語言開發，組成一個多功能的信號發生器。 本文的主要工作如下： (1)根據課題提出的指標和要求進行研究，分析其可行性。 (2)對系統的各個功能模塊進行了深入的分析和研究，在對課題所采用的方 案進行詳細的研究后設計了具體的功能電路。 (3)熟悉所選擇的各集成電路芯片并完成具體電路的設計、 PCB 板布局與模 塊結構設計，對各模塊電路進行了精心調試。 (4)對系統的最終指標進行了測試，針對系統的不足，進行了分析并提出了一些改進的方法。 河南大學本科畢業生學士學位論文 第 3 頁 第 2 章 系統總體方案的分析和設計 DDS 技術的基本原理 DDS 的基本工作原理是在采樣時鐘信號的控制下，通過由頻率碼控制的相位累加器輸出相位碼，將存儲于只讀存儲器的波形量化采樣數據值按一定的規律讀出，經 D/A 轉換和低通濾波后輸出正弦信號。其主要組成為：相位累加器、相位相加器、波形存儲器、數字相乘器和 D/A 轉換器。 下面就 AD9851 如何實現正弦波和方波來介紹 DDS 的基本原理，如圖 21所示。 圖 21中層虛線內是一個完整的可編程 DDS系統，外層虛線內包含了 AD9851的主要組成部分。 AD9851內含可編程 DDS 系統和高速比較器，能實現全數字編程控 制的頻率合成。可編程 DDS 系統的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個 N 位相位寄存器組成。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長 M 遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數字幅度信息，每一個地址對應正弦波中 0176。 ～360176。 范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動 DAC 以輸出模式量。相位寄存器每過 2N/M 個外部參考時鐘后返回到初始狀態一次，相位地正弦查詢表每一個循環也回到初始位置，從而使整個DDS系統輸出一個正弦波。輸出 的正弦波周期 To=Tc*2N/M，頻率 fout=M*fc/2N，Tc、 fc 分別為外部參考時鐘的周期和頻率。 AD9851 采用 32 位的相位累加器將信號截斷成 14 位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截斷成 10 位后輸入到DAC， DAC 再輸出兩個互補的電流。 DAC 滿量程輸出電流通過一個外接電阻 RSET調節，調節關系為 ISET=32()， RSET 的典型值是 。將 DAC的輸出經低通濾波后接到 AD9851 內部的高速比較器上即可直接輸出一個抖動很小的方波。 AD9851在接上精密時鐘源和寫入頻率相 位控制字之間后就可產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經內部的高速比較器轉換為方波輸出。在 125MHz 的時鐘下， 32 位的頻率控制字可使 AD9851的輸出頻率分辨率達 ；并具有 5位相位控制位，而且允許相位按增量 180176。 、 90176。 、 45176。 、 176。 、 176。 或這些值的組合進行調整。 河南大學本科畢業生學士學位論文 第 4 頁 圖 21 AD9851 的結構框圖 DDS 的工作特點 DDS 的原理使其具備了以下優良的工作特點 : (1)頻率分辨率高 如前所 述， DDS 的分辨率在 fc 固定時，取決于相位累加器的位數 N，只要N 取足夠大，理論上可以獲得相應的頻率分辨精度，這在傳統的頻率合成方法上是難以實現的。 (2)頻率變化速度快 在 DDS 中，一個頻率的建立時間通常取決于濾波器的帶寬。其影響因素有 內部數控振蕩器內的工藝結構、數模變換及其它可能的信號處理步驟產生的時延，其中數字信號處理部分的時延與時鐘周期相關。由于 DDS 中無須相位反饋控制，因而頻率建立及切換快并且與頻率分辨率、頻譜純度相互獨立。 (3)易于實現各種數字調制 由于 DDS 信號的頻率、相位、幅度均可由數字信 號控制，所以可以通過預 置內部相位累加器的初始值來精確控制輸出信號，調幅時直接在 ROM 表輸出端對幅度進行控制，調相時在相位累加器輸出端直接加上調制信號即可，調頻可通過頻率控制字進行，在進行 CHIRP 調制時，也只需在頻率控制字前再加一個累加器即可。同時， DDS 也非常易于實現如 PSK、 FSK 等高精度的數字調制和正交調制。 (4)集成度高 DDS 中除了濾波器以外，幾乎所有的部件都屬于數字信號處理部件，系統易于集成，功耗低，體積小，重量輕。 系統設計原理 本文提出的采用 DDS 作為信號發生核心器件的全數控函 數信號發生器設計河南大學本科畢業生學士學位論文 第 5 頁 方案， 根據輸出信號波形類型可設置、輸出信號幅度和頻率可數控、輸出頻率寬等要求，選用了美國 A/D 公司的 AD9851 芯片，并通過單片機程序控制和處理 AD9851 的 32 位頻率控制字， 再經放大后加至以數字電位器為核心的數字衰減網絡， 從而實現了信號幅度、頻率、類型以及輸出等選項的全數字控制。 本系統主要由單片機、 DDS 直接頻率信號合成器、數字衰減電路、真有效值轉換模塊、 A/D 轉換模塊、數字積分選擇電路等部分組成。 單片機 AT89S52是整個系統關鍵部分，通過對鍵盤進行掃描讀入相位信息，經轉換后輸 出到芯片 AD9851，輸出波形。鍵盤輸入的數字信息經 AT89S52 控制的 LCD1602 顯示 。 系統框圖分析和設計 系統結構組成如圖 22 所示，主要由單片機控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數字合成模塊、濾波模塊及運放模塊。其中，信號產生由單片機控制模塊和數字合成模塊實現，鍵盤與顯示模塊則用來實現人機交互的功能，濾波模塊及運放模塊用來對信號進行后期處理。 圖 22 信號發生器系統框圖 用戶從儀器面板上按鍵輸入命令，數據將顯示在字符型 LCD上，并將命 令 傳輸到單片機，再由單片機控制 DDS芯片輸出信號，并通過后級信號調理電路，最后輸出所需的信號。 因為是可調控制，調節按鈕不僅可以輸出不同的波形，而且能增加和減小輸出波形的頻率。 LCD1602 鍵盤 單片機 低通濾波器 信號輸出 AD9851 河南大學本科畢業生學士學位論文 第 6 頁 第 3 章 系統的硬件設計 因為本課題的功能電路與相關部件較多，為了便于研制期間的調試與最終 成品的產業化，所以系統的最后實現采用了模塊化的思想，即先把各個相關的電路與部件做成相互獨立的分離模塊，而系統的功能則是通過各模塊間的級聯來完成的。下面將分別敘述各功能模塊及其中所用到的器件、電路以及在系統設計、調試過程中應該注意的問題 。 穩壓電源的設計 單片機的 +5v 電源的獲得可通過直流電或者交流電獲得，通過直流電獲得可直接用電腦 USB 接口、干電池及 DC— DC的方式獲得，而本系統 通過 7805 穩壓電路將 12V 電壓轉換成 5V 直流電壓， 輸出電壓穩定，其最大輸出電流可為1A，能帶動一定的負載。 三端穩壓集成電路 7805 簡介 電子產品中，常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的 78 系列和負電壓輸出的 79 系列。三端 IC 是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端 。本系統需要使用 +5v 輸出作 為單片機電源，故選用 7805。 用 7805 三端穩壓 IC 來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。 但要注意，其最大輸出電流為 ，因此在使用中要注意電路電流上限。 7805 的引腳圖為 31，其電路圖為 32。 31 7805 引腳圖 32 7805 電路圖 河南大學本科畢業生學士學位論文 第 7 頁 系統電源電路設計 12V 的直流電源經過濾波電路、 7805 穩壓電路后 輸出 +5v 直流電源，工作原理如圖 33： 圖 33 +5v 電源工作原理圖 在實際電路中， 12V 的直流電源需要在這里接一個 100u