【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 hose 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(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 1 頁(yè) 第 1 章 緒論 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，在自動(dòng)化系統(tǒng)、通信系統(tǒng)，電子對(duì)抗以及各種電子測(cè)量技術(shù)中，我們常常需要一個(gè)高精度、頻率可變的信號(hào)源。近年來(lái)隨著直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（ Direct Digital Frequency Synthesis，簡(jiǎn)稱(chēng) DDS）的發(fā)展，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)得到很好的解決，與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比， DDS 具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)變速度快、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程和全數(shù)字化、便 于集成等優(yōu)點(diǎn)。用 DDS 合成的頻率源是目前很高級(jí)的技術(shù)，研究該信號(hào)源有比較重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 課題來(lái)源 該題目是自選題目 課題背景 在現(xiàn)代雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中頻率合成器有著廣泛的應(yīng)用，它是 電子系統(tǒng)的心臟，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng) 的功能都直接依賴(lài)于所使用的頻率合成器的性能。直接數(shù)字頻率合成 (DDS)技術(shù)是近二十年新興的一種頻率合成技術(shù)，它具有分辨率高、切換速度快、相位連續(xù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于 DDS技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，使得它在通信領(lǐng)域如數(shù)字調(diào)制、移動(dòng) 通信、擴(kuò)頻通信等方面得到了廣泛使用。 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的現(xiàn)狀 隨著數(shù)字信號(hào)理論和超大規(guī)模集成電路 VLSI 的發(fā)展，在頻率合成領(lǐng)域誕生 了一種革命性的技術(shù)，那就是七十年代出現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成 DDS，它的出現(xiàn)標(biāo)志著頻率合成技術(shù)邁進(jìn)了第三代。 1971 年 3 月 和 等人首先提出了 DDS 的概念；利用數(shù)字方式累加相位，再以相位之和作為地址來(lái)查詢(xún)正弦函數(shù)表得到正弦波幅度的離散數(shù)字序列，最后經(jīng) D／ A變換得到模擬正弦波輸出。在系統(tǒng)時(shí)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(zhǎng)決定分辨率。基于這樣的結(jié)構(gòu) DDS 頻率合成器具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá) 2N個(gè)頻點(diǎn) (N 為 DDS 相位累加器的字河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 2 頁(yè) 長(zhǎng) )； (2)頻率切換速度快，可達(dá)岸 us 量級(jí)； (3)頻率切換時(shí)相位連續(xù)； (4)可以輸出寬帶正交信號(hào)； (5)輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用；(6)可以產(chǎn)生任意波形； (7)全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。 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(lèi)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。 本文的主要工作 本論文的任務(wù)是根據(jù) DDS 信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)和應(yīng)用情況，結(jié)合新一代高性能芯片設(shè)計(jì)一種使用簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的信號(hào)發(fā)生器。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī) STC89S52控制， DDS 芯片 AD9851 為核心，配置相應(yīng)的外設(shè)及接口電路，用 C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，組成一個(gè)多功能的信號(hào)發(fā)生器。 本文的主要工作如下： (1)根據(jù)課題提出的指標(biāo)和要求進(jìn)行研究，分析其可行性。 (2)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行了深入的分析和研究，在對(duì)課題所采用的方 案進(jìn)行詳細(xì)的研究后設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、 PCB 板布局與模 塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)各模塊電路進(jìn)行了精心調(diào)試。 (4)對(duì)系統(tǒng)的最終指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，針對(duì)系統(tǒng)的不足，進(jìn)行了分析并提出了一些改進(jìn)的方法。 河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 3 頁(yè) 第 2 章 系統(tǒng)總體方案的分析和設(shè)計(jì) DDS 技術(shù)的基本原理 DDS 的基本工作原理是在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下，通過(guò)由頻率碼控制 的相位累加器輸出相位碼，將存儲(chǔ)于只讀存儲(chǔ)器的波形量化采樣數(shù)據(jù)值按一定的規(guī)律讀出，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換和低通濾波后輸出正弦信號(hào)。其主要組成為：相位累加器、相位相加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)字相乘器和 D/A 轉(zhuǎn)換器。 下面就 AD9851 如何實(shí)現(xiàn)正弦波和方波來(lái)介紹 DDS 的基本原理，如圖 21所示。 圖 21中層虛線內(nèi)是一個(gè)完整的可編程 DDS系統(tǒng)，外層虛線內(nèi)包含了 AD9851的主要組成部分。 AD9851內(nèi)含可編程 DDS 系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊?DDS 系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè) N 位相位寄 存器組成。每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng) 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(xún)表地址上。正弦查詢(xún)表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中 0176。 ～360176。 范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢(xún)表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng) DAC 以輸出模式量。相位寄存器每過(guò) 2N/M 個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相位地正弦查詢(xún)表每一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè)DDS系統(tǒng)輸出一個(gè)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(shí)鐘的周期和頻率。 AD9851 采用 32 位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?14 位輸入到正弦查詢(xún)表，查詢(xún)表的輸出再被截?cái)喑?10 位后輸入到DAC， DAC 再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。 DAC 滿(mǎn)量程輸出電流通過(guò)一個(gè)外接電阻 RSET調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)關(guān)系為 ISET=32()， RSET 的典型值是 。將 DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到 AD9851 內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波。 AD9851在接上精密時(shí)鐘源和寫(xiě)入頻率相位控制字之間后就可產(chǎn)生一個(gè)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(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在 125MHz 的時(shí)鐘下， 32 位的頻率控制字可使 AD9851的輸出頻率分辨率達(dá) ；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(jìn)行調(diào)整。 河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 4 頁(yè) 圖 21 AD9851 的結(jié)構(gòu)框圖 DDS 的工作特點(diǎn) DDS 的原理使其具備了以下優(yōu)良的工作特點(diǎn) : (1)頻率分辨率高 如前所述， DDS 的分辨率在 fc 固定時(shí)，取決于相位累加器的位數(shù) N，只要N 取足夠大，理論上 可以獲得相應(yīng)的頻率分辨精度，這在傳統(tǒng)的頻率合成方法上是難以實(shí)現(xiàn)的。 (2)頻率變化速度快 在 DDS 中，一個(gè)頻率的建立時(shí)間通常取決于濾波器的帶寬。其影響因素有 內(nèi)部數(shù)控振蕩器內(nèi)的工藝結(jié)構(gòu)、數(shù)模變換及其它可能的信號(hào)處理步驟產(chǎn)生的時(shí)延，其中數(shù)字信號(hào)處理部分的時(shí)延與時(shí)鐘周期相關(guān)。由于 DDS 中無(wú)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(dú)立。 (3)易于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制 由于 DDS 信號(hào)的頻率、相位、幅度均可由數(shù)字信號(hào)控制，所以可以通過(guò)預(yù) 置內(nèi)部相位累加器的初始值來(lái)精確控制輸出信號(hào)，調(diào)幅時(shí)直接在 ROM 表輸出端對(duì)幅度進(jìn)行控制，調(diào)相時(shí)在相位累加器輸出端直接加上調(diào)制信號(hào)即可，調(diào)頻可通過(guò)頻率控制字進(jìn)行，在進(jìn)行 CHIRP 調(diào)制時(shí)，也只需在頻率控制字前再加一個(gè)累加器即可。同時(shí)， DDS 也非常易于實(shí)現(xiàn)如 PSK、 FSK 等高精度的數(shù)字調(diào)制和正交調(diào)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(shù)字信號(hào)處理部件，系統(tǒng)易于集成，功耗低，體積小，重量輕。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 本文提出的采用 DDS 作為信號(hào)發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 5 頁(yè) 方案， 根據(jù)輸出信號(hào)波形類(lèi)型可設(shè)置、輸出信號(hào)幅度和頻率可數(shù)控、輸 出頻率寬等要求，選用了美國(guó) A/D 公司的 AD9851 芯片，并通過(guò)單片機(jī)程序控制和處理 AD9851 的 32 位頻率控制字， 再經(jīng)放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡(luò)， 從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)幅度、頻率、類(lèi)型以及輸出等選項(xiàng)的全數(shù)字控制。 本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、 DDS 直接頻率信號(hào)合成器、數(shù)字衰減電路、真有效值轉(zhuǎn)換模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字積分選擇電路等部分組成。 單片機(jī) AT89S52是整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵部分，通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描讀入相位信息，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出到芯片 AD9851，輸出波形。鍵盤(pán)輸入的數(shù)字信息經(jīng) AT89S52 控制的 LCD1602 顯示 。 系統(tǒng)框圖分析和設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖 22 所示，主要由單片機(jī)控制模塊、鍵盤(pán)與顯示模塊、數(shù)字合成模塊、濾波模塊及運(yùn)放模塊。其中，信號(hào)產(chǎn)生由單片機(jī)控制模塊和數(shù)字合成模塊實(shí)現(xiàn)，鍵盤(pán)與顯示模塊則用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，濾波模塊及運(yùn)放模塊用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行后期處理。 圖 22 信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖 用戶(hù)從儀器面板上按鍵輸入命令，數(shù)據(jù)將顯示在字符型 LCD上，并將命令 傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，再由單片機(jī)控制 DDS芯片輸出信號(hào)，并通過(guò)后級(jí)信號(hào)調(diào)理電路，最后 輸出所需的信號(hào)。 因?yàn)槭强烧{(diào)控制，調(diào)節(jié)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(pán) 單片機(jī) 低通濾波器 信號(hào)輸出 AD9851 河南大學(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 6 頁(yè) 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 因?yàn)楸菊n題的功能電路與相關(guān)部件較多，為了便于研制期間的調(diào)試與最終 成品的產(chǎn)業(yè)化，所以系統(tǒng)的最后實(shí)現(xiàn)采用了模塊化的思想，即先把各個(gè)相關(guān)的電路與部件做成相互獨(dú)立的分離模塊，而系統(tǒng)的功能則是通過(guò)各模塊間的級(jí)聯(lián)來(lái)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(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題。 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的 +5v 電源的獲得可通過(guò)直流電或者交流電獲得 ，通過(guò)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(tǒng) 通過(guò) 7805 穩(wěn)壓電路將 12V 電壓轉(zhuǎn)換成 5V 直流電壓， 輸出電壓穩(wěn)定，其最大輸出電流可為1A，能帶動(dòng)一定的負(fù)載。 三端穩(wěn)壓集成電路 7805 簡(jiǎn)介 電子產(chǎn)品中，常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 78 系列和負(fù)電壓輸出的 79 系列。三端 IC 是指這種穩(wěn)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(tǒng)需要使用 +5v 輸出作為單片機(jī)電源，故選用 7805。 用 7805 三端穩(wěn)壓 IC 來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元 件極少，電路內(nèi)部還有過(guò)流、過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)可靠、方便，而且價(jià)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(xué)本科畢業(yè)生學(xué)士學(xué)位論文 第 7 頁(yè) 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 12V 的直流電源經(jīng)過(guò)濾波電路、 7805 穩(wěn)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(shí)際電路中， 12V 的直流電源需要在這里接一個(gè) 100uF 的電解電容。 變壓器輸出端的 12V電壓經(jīng)電容濾波，在電容 C1兩端大約會(huì)有