【正文】 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1頁 共 50頁 引言 直接數(shù)字頻率合成技術(shù) (direct digital synthesizer， DDS)是在 20世紀(jì) 7O年代提出的，利用數(shù)字可控振蕩器技術(shù)，直接以數(shù)字信號(hào)控制產(chǎn)生高精度頻率信號(hào)，頻率分辨率可達(dá) ，與傳統(tǒng)的直接頻率合成 (Ds)、鎖相環(huán)間接頻率合成（ PLL ）， FNPLL合成和 PSG單環(huán)路合成相比，具有頻率切換時(shí)間極短、頻率分辨率高、相位連續(xù)，相噪低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)。鑒于 DDS技術(shù)有如此優(yōu)越的條件，現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備、系統(tǒng)都采用了這種技術(shù)。當(dāng)然，作為通信系統(tǒng)中必不可少的信號(hào)發(fā)生器也越來越多 地容納了該技術(shù)，以下主要介紹的是基于 ADI公司生產(chǎn)的 DDS芯片 AD9833的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案。 AD9833是采用先進(jìn)的 DDS技術(shù)開發(fā)的高集成度 DDS器件。其主要特性如下：外接 主頻時(shí)鐘為25MHz；內(nèi)含 10位 DAC；相位可編程； 內(nèi)部有 5個(gè)可編程寄存器，其中包括 3個(gè) 16位控制寄存器， 2個(gè) 28位頻率寄存器和 2個(gè) 12位相位寄存器 ； 3線 SPI接口 ；內(nèi)置超高速模擬比較器；采用 ；工作電壓范圍為 － 。 控制芯片選擇 AT89C52，通過對(duì) AD9833編程實(shí)現(xiàn)正弦波 ,三角波，該輸出的正弦波， 三角波能達(dá)到 MHZ以上，輸出是波形失真率極低。用 LCD和鍵盤作為良好的人機(jī)界面，用鍵盤輸入要顯示的頻率， LCD顯示頻率的大小。將輸出的正弦波經(jīng)比較器電路來實(shí)現(xiàn)方波的輸出，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輸出的方波能達(dá)到 100KHZ以上且輸出的波形失真率小，波形純真。 任意信號(hào)發(fā)生器是信號(hào)源的一種，它具有信號(hào)源所有的特點(diǎn)。我們傳統(tǒng)都認(rèn)為信號(hào)源主要給被測(cè)電路提供所需要的己知信號(hào) (各種波形 )，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘?hào)源在電子實(shí)驗(yàn)和測(cè)試處理中，并不測(cè)量任何參數(shù)而是根據(jù)使用者的要求，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以達(dá)至 測(cè)試的需要。 信號(hào)源有很多種，包括正弦波信號(hào)源、函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號(hào)源等。一般來講任意波形發(fā)生器，是一種特殊的信號(hào)源，綜合具有其它信號(hào)源波形生成能力，因而適合各種仿真實(shí)驗(yàn)的需要。 頻率合成 f51是指由一個(gè)或多個(gè)頻率穩(wěn)定度和精確度綴高的參考信號(hào)源運(yùn)過頻率域的線性運(yùn)算，產(chǎn)生具有同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率的過程。實(shí)現(xiàn)頻率合成的電路叫頻率合成器，頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分。在通信、雷達(dá)和導(dǎo)航等設(shè)備中，頻率合成器既是發(fā)射機(jī)的激勵(lì)信號(hào)源，又是接收機(jī)的本地振蕩器。 在電子對(duì)抗設(shè)備中，它可以作為干擾信號(hào)發(fā)生器：在測(cè)試設(shè)備中，可作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，因此頻率合成器被人們稱為許多電子系統(tǒng)的“心臟”。 隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)頻率合成器的要求越來越高，頻率合成器的主要性能指標(biāo)有： a、輸出頻率范圍 頻率范圍是指頻率合成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化范圍，它包含中心頻率和帶寬兩個(gè)方面的含義。 b、頻率穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定度指在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，頻率合成器輸出頻率偏離標(biāo)定值的數(shù)值，它分長(zhǎng)期、短期 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2頁 共 50頁 和瞬間穩(wěn)定度三種。 由于 DDS的自身特點(diǎn)決定了它存在以下兩個(gè)比較明顯的缺點(diǎn)：一是輸出信 號(hào)的雜散比較大，二是輸出信號(hào)的帶寬受到限制。 DDS輸出雜散比較大這是由于信號(hào)合成過程中的相位截?cái)嗾`差、 D／ A轉(zhuǎn)換器的截?cái)嗾`差和 D／ A轉(zhuǎn)換器的非線性造成的。隨著技術(shù)的發(fā)展這些問題正在逐步得到解決。如通過增加波形 ROM的長(zhǎng)度減小相位截?cái)嗾`差，通過增加波形 ROM的字長(zhǎng)和 D／ A轉(zhuǎn)換器的精度減小D／ A量化誤差。比較新的 DDS芯片中普遍都采用了 14bit的 D／ A轉(zhuǎn)換器。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì) DDS輸出的頻譜做了大量的分析以后，總結(jié)出了誤差的頻域分布規(guī)律建立了誤差模型，在分析 DDS頻譜特性的基礎(chǔ)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(nèi)誤差功率，可以用隨機(jī)抖動(dòng)法提高無雜散動(dòng)態(tài)范圍 (在 D／ A轉(zhuǎn)換器的低位上加干擾打破 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 1。 為了迸一步提高 DDS的輸出頻率，產(chǎn)生了很多 DDS與其他技術(shù)結(jié)合的頻率合成方法。如當(dāng)輸出信號(hào)是高頻窄帶信號(hào)的時(shí)候可以用混頻濾波的方法擴(kuò)展 DDS的輸出，也可以利用 DDS的頻譜特性來產(chǎn)生高頻信號(hào)，如輸出它較高的鏡像頻率。 DDS和 PLL相結(jié)合的方法也是一種有效的方法。這種方法兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，既有較高的頻率分辨率，又有較高的頻譜純度。 DDS和 PLL相 結(jié)合一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法： DDS激勵(lì) PLL的鎖相倍頻方式和 PLL內(nèi)插 DDS方式。 自 80年代以來各國(guó)都在研制 DDS產(chǎn)品，隨著基礎(chǔ)電路制造工藝的逐步提高，通過采用先進(jìn)的工藝和低功耗的設(shè)計(jì)， DDS的工作速度已經(jīng)有了很大的提高并廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。其中以 AD公司的產(chǎn)品比較有代表性。如 AD7008， AD9850， AD9851， AD9858， AD9953等，其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率從 30MHz到 1GHz不等。這些芯片還具有調(diào)制功能，如 AD7008可以產(chǎn)生正交調(diào)制信號(hào)， AD9852也可以產(chǎn)生 FsK PSK、線性調(diào)頻以及幅度調(diào)制的 信號(hào)。芯片內(nèi)部采用了優(yōu)化設(shè)計(jì)，大多采用了流水技術(shù)，提高了相位累加器的工作頻率，進(jìn)一步提高了 DDS芯片的輸出頻率。通過運(yùn)用流水技術(shù)在保證相位累加器工作頻率的前提下，相位累加器的字長(zhǎng)可以設(shè)計(jì)的更長(zhǎng)，如 AD9953的相位累加器達(dá)到了 32位。同時(shí)為了抑制雜散，這些芯片大多采用了隨機(jī)抖動(dòng)法提高無雜散動(dòng)態(tài)范圍。 運(yùn)用 DDS技術(shù)生產(chǎn)的 DDS任意波形信號(hào)發(fā)生器是一類較新的信號(hào)源并已經(jīng)廣泛投入使用。它不僅能產(chǎn)生傳統(tǒng)函數(shù)信號(hào)器能產(chǎn)生的正弦波、方波、三角波、鋸齒波，還可以產(chǎn)生任意編輯的波形。由于 DDS的自身特點(diǎn)，還可以很容易的產(chǎn) 生一些數(shù)字調(diào)制信號(hào)，如 FsK PSK等，一些高端的信號(hào)發(fā)生器甚至可以產(chǎn)生通信信號(hào)。同時(shí)輸出波形的頻率分辨率、頻率精度等指標(biāo)也有很大的提高 . 雖然 DDS技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，但是目前可以產(chǎn)生多種通信信號(hào)的儀器數(shù)量很少而且價(jià)格非常昂貴，在現(xiàn)代的通信對(duì)抗和無線電監(jiān)測(cè)研究中，人們多使用的是基于 DDS技術(shù)的任意波形發(fā)生器，使用前需將所需波形的數(shù)據(jù)輸入儀器，過程比較繁瑣，信號(hào)參數(shù)改變時(shí)需重新產(chǎn)生和輸入數(shù)據(jù)，操作也不很方便，使 DDS技術(shù)的使用受到了限制。如何合理地基于 DDS技術(shù)研制出一種新型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、易于操作、成本低廉的 信號(hào)發(fā)生器是本文的主要內(nèi)容。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3頁 共 50頁 1 方案論證與選擇 方案一：基于 MAX038函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 基于 MAX038的信號(hào)發(fā)生器原理框圖如 。 圖 基于 MAX038 的信號(hào)發(fā)生器原理框圖 本系統(tǒng)主要由以下部分組成： MAX038 信號(hào)發(fā)生電路； RC 網(wǎng)絡(luò)；撥碼開關(guān)；信號(hào)輸出；其中以MAX038為核心，經(jīng)過外部震蕩電路，通過撥碼開關(guān)來調(diào)節(jié)震蕩頻率，改變輸出頻率大小， 使用該芯片，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以生成同一頻率信號(hào)的各種波形信號(hào) 。 方案二：基于 傳統(tǒng)的頻率合成方法函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 基于傳統(tǒng)頻率合成方法的信號(hào)發(fā)生器原理框圖如圖 所示。 圖 基于傳統(tǒng)頻率合成方法的信號(hào)發(fā)生器原理框圖 本系統(tǒng)主要有以下部分組成： N 位全加器；累加寄存器；波形存儲(chǔ)器； DA；和低通濾波器；采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Frequency Synthesizer,簡(jiǎn)稱 DDS 或 DDFS） 。用隨機(jī)讀 /寫存儲(chǔ)器 RAM存儲(chǔ)所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字 K為步進(jìn)對(duì)相位增量進(jìn)行累加，以累 加相位值作為地址碼讀取存在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得所需波形。 方案三：基于 DDS的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 基于 DDS的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的 原理框圖如圖 所示。 本系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)；鍵盤； AD9833 電路；比較電路；液晶顯示電路；以單片機(jī) AT89C52 為核心，采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Frequency Synthesizer,簡(jiǎn)稱 DDS 或DDFS） ，用隨機(jī)讀 /寫存儲(chǔ)器 RAM存儲(chǔ)所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字 K為 N f 控制字 DAC 累加寄存器 N 位全加器 波形存儲(chǔ)器 基準(zhǔn)時(shí)鐘 LPF M M MAX 038 撥碼 開關(guān) RC 網(wǎng)絡(luò) 信號(hào)輸出 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4頁 共 50頁 圖 基于 DDS 的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的 原理框圖 步進(jìn)對(duì)相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，再濾波即可得所需波形。 方案選擇 對(duì)于方案一， 采用專用信號(hào)發(fā)生器。 MAX038 是美信公司的低失真單片信號(hào)發(fā) 生器集成電路，內(nèi)部電路完善。使用該芯片，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以生成同一頻率信號(hào)的各種波形信號(hào)，但 頻率精確度和穩(wěn)定度都難以達(dá)到要求。 對(duì)于方案二，采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成。利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器完成對(duì)頻率的算術(shù)運(yùn)算。由于采用大量的倍頻、分頻、混頻 和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。 對(duì)于方案三，采用直接數(shù)字合成（ Direct Digital Frequency Synthesizer,簡(jiǎn)稱 DDS 或 DDFS） 。由于DDS 具有相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短 (可小于 20 微妙 )，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成以及輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控，因此，可以完全滿足本題目的要求。通 過上述比較選擇方案三。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5頁 共 50頁 2 硬件設(shè)計(jì) 硬件電路設(shè)計(jì) 基于 AD9833 信號(hào)發(fā)生電路如圖 。 C O M PV D DC A P / 2 .5D G N DM C L KV O U TA G N DF S Y N CS C L KS D A T AU1A D 9 8 3 3D14 0 0 7C 1 61 0 3R2C51 0 612J1C O N 2C11 0 4C21 0 4C61 0 6V C C1NC2G N D3O U T4Y12 5 MC31 0 4F S Y N CS C L KS D A T AW A V E O U TD2L E D+5R 6 150 圖 基于 AD9833 信號(hào)發(fā)生電路 外接有源晶體振蕩器的輸出送給 AD9833作為主頻時(shí)鐘， AT89C52 的 IO口采用主動(dòng)工作方式，即用 SDATA口發(fā)送數(shù)據(jù)，為了與 AD9833的時(shí)序相配合， 單片機(jī) 的接口時(shí)鐘（ SCLK信號(hào)）方式選擇有延時(shí)的下降沿， FSYNC作為電路選通信號(hào)，此時(shí)對(duì) AD9833進(jìn)行 寫數(shù)據(jù) ,就能得到需要的波形。 基于 OP07的方波電路如圖 。 32184U 7 AO P 0 7W A V E O U T+55 圖 基于 OP07 的方波電路 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6頁 共 50頁 使用比較 器可以將正弦波變成方波。首先給比較器設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)電壓，在輸入的正弦波小于這個(gè)基準(zhǔn)電壓時(shí)比較器輸出低電平，輸入的正弦波大于這個(gè)基準(zhǔn)電壓時(shí)比較器輸出高電平，方波只需要高低電平，由于 DDS能夠產(chǎn)生三角波，所以用一個(gè)比較電路就能把三角波轉(zhuǎn)換成方波，由于頻率很高，一般的運(yùn)放不能達(dá)到要求，所以采用高速的轉(zhuǎn)換運(yùn)放芯片 OP07。 基于 12864液晶電路如圖 。 圖 基于 12864 液 晶電路 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器參數(shù)很多，采用 1602顯示數(shù)據(jù)量少，而且不易觀察，所以采用 1286415C型號(hào)液晶， HS1286415C是一款帶中文字庫的液晶顯示模塊，該模塊是 128*64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置 8192個(gè)中文漢字、 128個(gè)字符及 64*256點(diǎn)陣顯示 RAM?？膳c CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理器： 8位