基于dds的数字式函数信号发生器设计学士学位论文文档格式.docx
《基于dds的数字式函数信号发生器设计学士学位论文文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于dds的数字式函数信号发生器设计学士学位论文文档格式.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
本文利用直接数字频率合成器（DDS）与单片机控制技术,研制和设计了高频率、高稳定度的函数信号发生器。
在系统总体方案设计中,将DDS信号发生器分成8个模块:
键盘模块、单片机模块、显示模块、DDS模块、电源模块、采样保持与A/D转换模块、低通滤波器模块和放大模块，按模块进行软硬件设计。
系统的硬件设计，完成了系统的硬件总体设计,并对具体实现电路进行详细的分析和设计。
在系统软件设计中,对系统软件的主要功能按模块进行了介绍。
关键词：
信号发生器DDS单片机频率设计
ABSTRACT
TheDirectDigitalFrequencySynthesisisakindofnewfrequencysynthesismethodandalsoarevolutioninthefrequencysynthesistechniques.Withthedevelopmentofdigitalintegratedcircuitsandmicroelectronictechniques,DDSexhibitsitsadvantagesdaybyday.
ThisPaperintroducesahighfrequencyandhighstabilitysignalgeneratordesignbasedonMCUcontroltechnologyanddirectdigitalsynthesis（DDS）.
Intheoverallsystemdesign,theDDSsignalgeneratorswouldbeclassifiedinto8module:
keyboardmodule,singlechipmodule,displaymodule,DDSmodule,powermodule,sampleandholdmodule,A/Dconversemodule,low-Passfiltermoduleandamplificationmodule,wherebothsoftwareandhardwaredesignareaccomplishedaccordingtoeachmodule.Inthedesignofsystemhardware,specificanalysisanddesignforhowtorealizetheelectriccircuitshadbeencarriedout.Inthedesignofsystemhardware,specificanalysisanddesignforhowrealizetheelectriccircuitshadbeencarriedout.
Inthedesignofsystemsoftware,theirmainfunctionswereintroducedaccordingtomodule.
KEYWORDS:
signalgenerator;
DDS;
MCU;
frequency;
design
1绪论
1.1选题背景
在电子技术领域中,经常要用一些信号作为测量基准信号或输入信号,也就是所谓的信号源。
信号源有很多种,包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。
作为电子系统必不可少的组成部分的信号源,在很大程度上决定了系统的性能,因而常称之为电子系统的“心脏”。
随着电子技术的发展,对信号源的要求越来越高,要求其输出频率高达微波频段甚至更高,频率范围从零Hz到几GHz频率分辨率达到mHz甚至更小,相应频点数更多;
频率转换时间达到ns级:
频谱纯度越来越高。
同时,对频率合成器功耗、体积、重量等也有更高的要求。
而传统的信号源采用振荡器,只能产生少数几种波形,自动化程度较低,且仪器体积大、灵活性与准确度差。
而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高,而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。
所以要实现高性能的信号源,必须在技术手段上有新的突破。
当今高性能的信号源均通过频率合成技术来实现,随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展,频率合成技术有了新的突破,直接数字频率合成技术（DirectDigitalSynthesisDDS）,它是将先进的数字信号处理理论与方法引入到信号合成领域的一项新技术,它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。
同时,随着微电子技术的迅速发展,尤其是单片机技术的发展,智能仪器也有了新的进展,功能更加完善,性能也更加可靠,智能程度也不断提高,直接数字式频率合成技术的出现导致了频率合成领域的一次重大革命。
直接数字频率合成器问世之初,构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。
近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究,DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。
随着微电子技术的迅速发展,直接数字频率合成器得到了飞速的发展,它以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。
具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面,并具有极高的性价比。
现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。
信号发生器是一种常用的信号源,广泛应用于电子测量、自动控制和工程设计等领域。
随着电子技术的发展,对信号源频率的稳定度、准确度以及频谱纯度的要求越来越高。
DDS（直接数字合成）技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术,与传统的模拟式波形产生法相比,它具有相位变换连续、频率转换速度快、分辨率高、稳定度高、相位噪声小、便于集成、易于调整及控制灵活等多种优点。
基于DDS技术的信号发生器是一类新型信号源,它已成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。
1.2DDS技术的研究现状与发展趋势
自20世纪80年代以来各国都在研制DDS产品,并广泛地应用于各个领域。
其中以ADI公司的产品比较有代表性,如AD7008、AD9850、AD9851、AD9852、AD9858等。
其系统时钟频率从30MHz到300MHz不等,其中的AD9858系统时钟更是达到了1GHz,这些芯片还具有调制功能。
如AD7008可以产生正交调制信号,而AD9852也可以产生FSK（FrequencyShiftKey）、PSK（PhaseShiftKey）、线性调频以及幅度调制的信号。
这些芯片集成度高,内部都集成了D/A转换器,精度最高可达12bit。
同时都采用了一些优化设计来提高性能,如这些芯片中大多采用了流水技术,通过流水技术的使用,提高了相位累加器的工作频率,而使得DDS芯片的输出频率可以进一步提高。
通过运用流水技术在保证相位累加器工作频的前提下,相位累加器的字长可以设计得更长,如AD9852的相位累加器达到了48bit。
这样输出信号的频率分辨率大大提高了。
运用DDS技术生产的DDS任意波型信号发生器是较新的一类信号源并且已经广泛投入使用。
它不仅能产生传统函数信号发生器能产生的正弦波、方波、三角波、锯齿波,还可以产生任意编辑的波形。
由于DDS的自身特点,还可以很容易的产生一些数字调制信号,如FSK、PSK等。
一些高端的信号发生器甚至可以产生通讯信号。
同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高。
如HP公司的HP33120可以产生10mHz一15MHz的正弦波和方波。
同时还可以产生10mHz一5MHz的任意波形,任意波形深度16K点。
采样率40M,还具备了调制功能,可以产生AM、FM、FSK、碎发、扫频等信号。
HP公司的HP33250可以产生1uHz一80MHz的正弦波和方波,产生1uHz一25MHz的任意波形,任意波形深度64K点,采样率200M,同时也具备了AM、FM、FSK、碎发、扫频等功能。
BKPRECISION公司的4070A型函数级任意波形发生器正弦波和方波输出频率DC一21.5MHz,频率分辨率10mHz。
同时还具有AM、FM、PM、SSB、BPSK、FSK、碎发、DTMFGeneration和DTMFDetection的功能,并且具有与PC机良好的接口,可以通过window界面的程序进行任意波形的编辑。
除了在仪器中的应用外,DDS在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。
通过DDS可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如:
频移键控（FSK）、一进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）。
DDS可以产生两路相位严格正交的信号在正交调制和解中的到广泛应用,是一种很好的本振源。
但是DDS自身的特点决定了它存在着以下两个比较明显的缺点:
一是输出信号的杂散比较大,二是输出信号的带宽受到限制。
当然随着技术的发展,这些问题正在逐步得到解决,如通过增长波形ROM的长度减小相位截断误差;
通过增加波形ROM的字长和D/A转换器的精度减小D/A量化误差;
在比较新的DDS芯片中普遍都采用了12bit的D/A转换器。
当然一味靠增加波形ROM的长度和字长的方法来减小杂散,对性能的提高总是有限的。
国内外学者在对DDS输出的频谱做了大量的分析以后,总结出了误差的频域分布规律建立了误差模型,在分析DDS频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法:
可以通过采样的方法降低带内误差功率,可以用随机抖动法提高无杂散动态范围（在D/A转换器的低位上加扰打破DDS输出的周期性,从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化）。
在本文的第六章也将提到一种抑制DDS杂散性的方法,即将DDS与锁相环（Phase一LockedLoop,PLL）技术相结合。
虽然,DDS技术的出现使得信号源的性能指标得到了飞跃,各种新的产品不断推出,但是,目前市场上的信号源产品大多是通用型的,一般只能产生正弦波等标准波形。
而不同领域需要不同的信号源,例如在雷达、通信等领域,就需要短波信号源,要求其具有频移键控、调频、调相等调制功能。
所以,在很多应用中,都需要自己设计不同功能的信号源。
1.3选题研究的目的及意义
信号源作为一种信号产生的装置己经越来越受到人们的重视,它可以根据用户的要求,产生自己所需要的波形,具有重复性好,实时性强等优点,己经逐步取代了传统的函数发生器。
本课题的目的就是设计开发出一个能产生正弦波、方波、三角波等波形的信号源,信号源的频率准确度为10-4,频率稳定度为10-5,频率范围1Hz—1MHz,波形失真小于1%，而直接数字频率合成技术是研制该系统所要解决的关键技术,因此对本文的研究不仅具有理论意义而且具有实用价值。
1.4研究内容及目标
●电源电压单相220V±
10%
●电源频率50Hz±
2Hz
●输出频率1Hz~1MHz
●频率准确度：
10-4
●频率稳定度：
10-5
●输出电压0~3V
●输出功率≥1W
●输出波形正弦波、方波、三角波（可以扩展编辑其他任意波形）
波形失真≤1%
本文的主要工作体现在以
升级会员 