基于DDS的信号发生器的设计2011.doc

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基于DDS的信号发生器的设计

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摘要

在信号发生器的设计中,传统的用分立元件或通用数字电路元件设计电子线路的方法设计周期长,花费大,可移植性差。

本设计是用直接数字频率合成器（DDS）,设计出两个相互正交的信号，该信号发生器输出信号的频率范围为：

0-400MHz，频率分辨率：

0.232Hz，频率误差范围:

-2%～2%，相位差的误差<4°。

与传统的频率合成方法相比，DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续等诸多优点。

使用单片机灵活的控制能力与FPGA器件的高性能、高集成度相结合，可以克服传统DDS设计中的不足，从而设计开发出性能优良的DDS系统。

关键词：

单片机，直接数字频率合成，可编程逻辑器件

I

Abstract

Inthedesigningofthesignalgenerator,thetraditionalmethod,whichdesignselectroniccircuitsusingdiscretecomponentsorgeneraldigitalcircuitscomponents,takesalongtimewithhighcost,what’smore,thetransplantingabilityofitisunsatisfactory.Inthisdesign,thecircuitisdesignedthedesigningofDDS.Itsoutputfrequencyrangeis0to400MHz,theresolutionis0.232HZandzheerrorisbitween-2%and2%.

Comparedwithtraditionalmethodsoffrequencysynthesizing,directdigitalfrequencysynthesizing（DDS）haslotsofadvantages,suchasshorttimeofquickfrequencyexchanging,highfrequencyresolution,continuousphasechanging,etc.Micro-controlunithasischaracterizedby.ManydrawbackscanbeovercomeandagoodDDSsystemwithgoodperformancecanbedevelopedaftercombiningtheflexiblecontrolcapabilityofmicro-controlunitwithhighperformanceandintegrationoftheFPGAdevicesinthesamesystem.

Keywords:

MCU,DDS，FPGA

-II-

目录

第一章绪言 1

1.1课题背景 1

1.2课题研究的目的和意义 1

1.3国内外的研究状况 2

1.3.1波形发生器的发展状况 2

1.3.2国内外波形发生器产品比较 3

1.3.3本课题在国内外的研究现状 4

第二章信号发生器的方案设计 14

2.1系统实现方案分析与比较 14

2.1.1频率合成器方案 14

2.1.2移相方案 16

2.1.3存储器方案 16

2.2模块结构划分 17

2.2.1DDS的基本原理 18

2.2.2FPGA实现的直接数字频率合成器 19

2.2.3移相原理 20

第三章电路设计 14

3.1FPGA设计DDS电路的具体实现 14

3.1.1相位累加器部分 14

3.1.2相位/幅度转换电路 14

3.1.3波形表生成 15

3.1.4D/A转换电路 15

3.1.5系统控制电路 15

3.2单片机与FPGA的接口设计 15

3.3现场可编程逻辑器件（FPGA）的选择 17

3.4其他电路设计 18

3.4.1晶体振荡电路 18

3.4.2地址计数脉冲产生电路 18

3.4.3幅度控制电路 19

3.4.4单片机外扩展存储器电路 19

3.4.5滤波、缓冲输出电路 20

3.4.6键盘和显示控制电路 21

3.4.7D/A转换电路的设计 22

3.4.8DAC0832芯片原理 25

结束语 29

致谢 30

参考文献 31

附录1 32

附录2 33

附录3 36

-27-

第一章绪言

1.1课题背景

在一些电子设备的电路板故障检测仪中，往往需要频率、幅度都能由计算机自动调节的信号源。

采用诸如MAX038信号发生器芯片外加电阻及切换开关等器件虽然也能调节频率和幅度，但这种调节是离散的，且电路复杂，使用不方便。

而采用直接数字合成芯片DDS及外加D/A转换芯片构成的可控信号源，可产生正弦波、调频波、调幅波及方波等，并且其信号的频率和幅度可由微机来精确控制，调节非常方便。

另外随着21世纪的到来，人类正在跨入信息时代。

现代通信系统的发展方向是功能更强，体积更小，速度更快，功耗更低。

而大规模可编程器件CPLD/FPGA在集成度、功能和速度上的优势正好满足通信系统的这些要求。

所以今天无论是民用的移动电话、程控交换机、集群电台、广播发射机和调制解调器,还是军用的雷达设备、图形处理仪器、遥控遥测设备、加密通信机中,都已广泛地使用大规模可编程器件[2]。

由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点，数字技术和数字集成电路的使用已经成为构成现代电子系统的重要标志。

电子系统的集成化，不仅可使系统的体积小、重量轻且功耗低，更重要的是可使系统的可靠性大大提高。

因此自集成电路问世以来，集成规模便以10倍/6年的速度增长。

从20世纪90年代初以来，电子系统日趋数字化、复杂化和大规模集成化。

为满足个人电脑、无绳电话和高速数据传输设备的发展需求，电子厂商们越加迫切地追求电子产品的高功能、优品质、低成本、微功耗和微小封装尺寸。

为达到此目标，必须采用少量的IC器件使面积尽可能小。

1.2课题研究的目的和意义

正弦信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。

随着电子信息技术的发展，对其性能的要求也越来越高，如要求频率稳定性高、转换速度快，具有调幅、调频、调相等功能，另外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率，同时要有确定的相位差[4]。

随着数字信号处理和集成电路技术的发展，直接数字频率合成（DDS）的应用也越来越广泛。

DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点，而可编程门阵列（FPGA）具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点，因此可以快速地完成复杂的数字系统。

由于模拟调相方法有生产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺点，因此采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍[5]。

现在许多DDS芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能，实现起来比较简单，而要实现模拟线性调制具有一定的难度。

因此本设计介绍了一种由单片机控制，并采用FPGA实现DDS功能，产生频率和相位可调的正弦波信号的方法。

单片机是实现各种控制策略和算法的载体。

波形发生器也可运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波相位、频率和幅值可调的信号。

信号的频率、相位可通过键盘输入并显示。

与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，成本低。

1.3国内外的研究状况

1.3.1波形发生器的发展状况

波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。

目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。

信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。

但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。

在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。

而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。

一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。

波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。

函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。

在70年代前，信号发生器主要有两类：

正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。

这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。

同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。

在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。

这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。

90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。

HP8770A实际上也只能产生8中波形，而且价格昂贵。

不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。

而近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：

（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。

波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。

波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。

同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f（t）形式的波形方程的数学表达式产生。

从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。

目前可以利用可视化编程语言（如VisualBasic,VisualC等等）编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。

（2）与VXI资源结合。

目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。

由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军