【正文】 學(xué)院本科畢業(yè)論文 2 本設(shè)計(jì)使用的 DDS 采用全數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)頻率合成，它具有以下特點(diǎn)： (1)頻率轉(zhuǎn)換快。直接數(shù)字頻率合成是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，其頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間主要由頻率控制字狀態(tài)改變所需的時(shí)間及各電路的延時(shí)時(shí)間所決定，轉(zhuǎn)換時(shí)間很短。 (2)頻率分辨率高、頻點(diǎn)數(shù)多。 DDS 輸出頻率的分辨率和頻點(diǎn)數(shù)隨相位累加器的位數(shù)的增長而呈指數(shù)增長，分辨率高達(dá) 100MHz。 (3)相位連續(xù)。 DDS 在改變頻率時(shí)只需改變頻率控制字（即累加器累 加步長），而不需改變原有的累加值，故改變頻率時(shí)相位是連續(xù)的。 (4)相位噪聲小。 DDS 的相位噪聲主要取決于參考源的相位噪聲。 (5)控制容易、穩(wěn)定可靠 、 性價(jià)比極高 。 目前生產(chǎn) 新一代 單片 DDS集成芯片技術(shù)比較成熟的主要是 美國模擬器件公司(Analog Devices)和摩托羅拉公司 (Motorola)兩大公司的產(chǎn)品。在國內(nèi)使用得比較多的是 美國模擬器件公司 的產(chǎn)品，因?yàn)樵摴镜漠a(chǎn)品品種齊全，更新快，且向下兼容，設(shè)計(jì)人員可以按不同的要求選用不同的型號。本設(shè)計(jì)選用的是 美國模擬器件公司 的單片 DDS集成器件 AD9851。 武漢大學(xué)珞珈學(xué)院本科畢業(yè)論文 3 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)的過程中，我們綜合考慮 有 以下 四 種實(shí)現(xiàn)方案： 方案一： 采用 555集成芯片函 數(shù)發(fā) 生器， 555可以 產(chǎn) 生可 變 的正弦波 來 實(shí)現(xiàn)頻 率控制 ,但由于產(chǎn)生的頻率較低，本方案將不采用。 方案二：采用低 溫 漂、低失真、高 線 性 單 片 壓 控函 數(shù)發(fā) 生器 ICL8038， 產(chǎn) 生 頻 率（ ～ 300KHZ）可 變 的正弦波 和 數(shù) 控 頻 率 調(diào) 整。但是，由于 ICL8038 自身的限制，輸 出 頻 率 穩(wěn) 定度只有 103（ RC 振 蕩 器）。而且，由于 壓 控的非 線 性， 頻 率步 進(jìn) 的步 長控制比 較 困 難 。 方案三：采用 MAX038 函 數(shù) 發(fā) 生器， MAX038 是一 個(gè) 精密高 頻波形產(chǎn) 生器。能精密地 產(chǎn) 生正弦波信 號 。 頻 率范 圍從 ～ 20MHz，最高可 達(dá) 40MHz，各種波形的 輸 出幅度 的峰峰值 均 為 2V。但由于此芯片目前已 經(jīng) 停 產(chǎn) ， 銷 售的價(jià)格比 較 昂 貴 。 方案四：采用 DDS波形 發(fā) 生技 術(shù) ，采用 AD9851 和 單 片機(jī) 相結(jié)合 的方式 實(shí)現(xiàn)對頻 率的控制。 AD9851 內(nèi) 部的控制字寄存器首先寄存 來 自外部的 頻 率、相位控制字，相位累加器接 收來 自控制字寄存器的 數(shù) 據(jù)后， 決定 最 終輸 出信 號頻 率和相位的范 圍 及精度．然后再 經(jīng)過內(nèi) 部 D/A轉(zhuǎn)換 器，得到最 終 的 數(shù) 字合成信 號 。 這個(gè) 高速 DDS 芯片 時(shí) 鐘頻 率可達(dá) 180MHz， 輸 出 頻 率可 達(dá) 70MHz， 分辨率 為 。 綜 合分析四 種實(shí)現(xiàn) 方法的性價(jià)比， 選擇 方案四 ， 采用 DDS 芯片 AD9851 來設(shè)計(jì)信 號發(fā) 生器。以 51 單 片機(jī) 為 控制核心，一方面， 對 AD9851 的 頻 率相位控制字 進(jìn) 行控制， 產(chǎn) 生所需要的波形。另一方面， 對 液晶 LCD1602 進(jìn) 行控制，通 過 菜 單 的模式， 選擇 所需要的 頻 率 輸 出方式。采 用獨(dú) 立式 鍵盤輸 入相 應(yīng) 的操作命令，使得整 個(gè)設(shè)計(jì)顯得更加直 觀 明了。 系統(tǒng) 總體 方案 在本系統(tǒng)中， 我們將會進(jìn)行三個(gè)模塊來進(jìn)行設(shè)計(jì) 。 它們分別是控制模塊、 DDS模塊、信號處理模塊 。設(shè)計(jì)框圖如圖 。 其中 DDS模塊為本設(shè)計(jì)的核心部分，我們選取的芯片為 AD9851?？刂颇K包括鍵盤、單片機(jī)（ STC89C52）、液晶顯示（ LCD1602）。信號經(jīng)過鍵盤輸入，然后經(jīng)過單片機(jī)來控制 DDS，最后經(jīng)過信號處理（放大電路）來得到所需要的波形。 武漢大學(xué)珞珈學(xué)院本科畢業(yè)論文 4 鍵 盤單 片 機(jī)液 晶 顯 示D D S （ A D 9 8 5 1 ）放 大 電 路輸 出鍵 盤D D S 模 塊信 號 處 理模 塊控 制 模 塊圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 在本次設(shè)計(jì)中，總體方案上面已介紹，幾個(gè)重要的模塊我們在下一章將會詳細(xì)介紹。 武漢大學(xué)珞珈學(xué)院本科畢業(yè)論文 5 第 3 章 硬件電路具體設(shè)計(jì) 基于 AD9851 的 DDS模 塊 的設(shè)計(jì) DDS 的結(jié)構(gòu)及工作原理 直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術(shù) ， 通過控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率信號的一種頻率合成 的 方法。 DDS 的結(jié)構(gòu)原理圖如圖 所示，它由相位累加器、正弦 ROM 表、 D/A 轉(zhuǎn)換器等組成。參考時(shí)鐘 f r 由一個(gè)穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生，用它來同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分。相位累加器由 N 位加法器與 N 位相位寄存器級聯(lián)構(gòu)成，類似于一個(gè)簡單的加法器。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器就將頻率控制字 K與相位寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，然后把相加后的結(jié)果送至相位累加器的數(shù)據(jù)輸入端。相位寄存器就將加法器在上一個(gè)時(shí) 鐘作用后產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續(xù)將相位數(shù)據(jù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下進(jìn)行線性相位累加。當(dāng)相位累加器累加滿量時(shí)，就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是合成信號的一個(gè)周期，累加器的溢出頻率也就是 DDS 的合成信號 的 頻率。 相 位 寄 存 器 正 弦 R O M 表 D / A 轉(zhuǎn) 換 低 通 濾 波 器參 考 時(shí) 鐘 f r頻 率 控 制 字 K相 位 累 加 器f D圖 DDS 的結(jié)構(gòu)原理圖 DDS 的工作原理： DDS 的基本 原理 是利用采樣定量，通過查表法產(chǎn)生波形 ， 在參考時(shí)鐘ｆ r 的控制下，頻率控制字Ｋ由累加器累加以 得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為取樣地址，來尋址正弦 ROM 表進(jìn)行相位－幅度變換，輸出不同的幅度編碼；再經(jīng)過D／ A 轉(zhuǎn)換器得到相應(yīng)的階梯波；最后經(jīng)低通濾波器對階梯波進(jìn)行平滑處理，即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。 DDS的輸出頻率ｆ 0、參考時(shí)鐘頻率ｆ r、相位累加器長度Ｎ以及頻率控制字Ｋ之間的關(guān)系為： 2Nfrfo K?? （ ） 武漢大學(xué)珞珈學(xué)院本科畢業(yè)論文 6 DDS的頻率分辨率為： 2Nfrfo?? （ ） 在理想情況下， DDS等效電路如下圖所示，圖中假設(shè) DDS相位累加器至波形存儲器間無截?cái)?(累加器輸出與波形存儲器地址寬度相等 )、波形存儲器容量無限、 DAC和LPF都是完全理想的。這樣 DDS就等效為一個(gè)完全理想的采樣 —— 保持電路。如圖 所示。 H ( t ) L P FS ( n )S ( t )f oS i n （ 2 π f o t ）? ?????nn T ct ）（? 圖 理想 DDS等效電路 其時(shí)域輸出為： ( t ) = s ( n ) ( ) ] * ( )oS f t n T h t?? ?? ? ? ??*h(t)=[sin(2 t)* （ ） 對其做傅氏變換得到頻域響應(yīng)： 2( ) ( ) * * [ ( 2 2 2 ) ( 2 2 2 ) ]2 cj f Tca o c o cnfTS f j S e f f n f f f n f??? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ? ??（ ） 由上式看出，理想 DDS輸出頻譜中只有采樣時(shí)鐘及輸入頻率的混合產(chǎn)物，其主要雜波分量遵循 Nyquist抽樣定理，雜波分量出現(xiàn)在參考頻率與輸出頻率的組合處，即： Nfc177。 fo(N=0，177。 1，177。 2， ?)處。在 fo處的信號最強(qiáng)，距輸出頻率最近的雜波分量為 fc—fo(如圖 )，而無新增頻率分量，在 DAC之后只要接入一高性能低通濾波器，就可得 到期望的輸出頻率。 f ofF o f c f o f c f c + f o 2 f c f o 2 f c 2 f c + f o 圖 DDS輸出頻譜分布 武漢大學(xué)珞珈學(xué)院本科畢業(yè)論文 7 AD9851 芯片的 簡介 AD9851是美國 AD公司采用先進(jìn) DDS (直接