改好的 数字信号发生器的设计2.docx

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改好的数字信号发生器的设计2

兰州交通大学博文学院

兰州交通大学博文学院

毕业论文

题目：

数字信号发生器

DigitalSignalGenerator

系别：

电信工程系

专业：

电子信息工程

班级：

08电子信息工程班

学生姓名：

孟萍

学号：

20080221

指导教师：

孙春霞

摘要

直接数字合成是一种新的频率合成方法，是频率合成技术的一次革命，随着数字频率集成电路和微电子技术的发展，直接数字频率合成技术日益显露出它的优越性。

本文利用直接数字频率合成器（DDS）与CPLD技术和单片机控制技术，研制和设计高分辨率、高稳定度的数字信号发生器。

本文主要讨论基于DDS芯片AD9834的波形发生器，首先介绍了常用的几种波形发生器的方案并进行了比较，重点论述了基于DDS芯片AD9834的波形发生器方案，包括其原理图、功能模块图、硬件电路图、软件流程图，并针对设计过程中出现的问题提出了解决方案。

提出并应用了一种CPLD与单片机的通信方法，实现了高精度和宽频率的信号产生。

在系统总体方案设计中，将DDS信号发生器分成6个模块：

键盘模块、单片机模块、CPLD模块、DDS模块、模拟信号调理模块和电源模块，按模块进行软硬件设计。

系统的硬件设计完成系统的硬件总体设计，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。

最后根据本信号发生器的主要功能进行了系统功能测试，并根据具体测试波形和测试数据对结果进行了分析。

实验和实测结果表明所设计系统结构简明，使用方便、交互性好，性能稳定可靠，具有较高的应用价值。

关键词：

信号发生器；DDS；单片机；CPLD；设计

Abstract

TheDirectDigitalFrequencySynthesis（DDFS）isakindofnewfrequencysynthesismethodandalsoarevolutioninthefrequencysynthesistechniques.Withthedevelopmentofdigitalintegratedcircuitsandmicroelectronictechniques,DDSexhibitsitsadvantagesdaybyday.

ThispaperintroducesahighresolutionandhighstabilitysignalgeneratordesignbasedonCPLD,MCUcontroltechnologyanddirectdigitalsynthesis（DDS）.ThispaperdescribesseveralaspectsofsignalgeneratorsbasedonAD9834DDSchip.Firstly,thepaperintroducesmanykindsofsignalgeneratorsthatusuallyused,andthenmakessomecomparison.AndthepaperdescribestheprojectofthesignalgeneratorbasedonAD9834DDSchipindetail.Itcontains:

basictheory,architecture,functionmodulediagram,hardwareschematicdiagramandthesolutionofproblemswhichoccurredinsystemdebugisalsooffered.MethodofCPLD’scommunicationwithMCUisutilizedinthedesigntogeneratehighaccuracyandwidefrequencyrangesignal.

Intheoverallsystemdesign,theDDSsignalgeneratorswouldbeclassifiedinto6units:

keyboardunit,singlechipunit,CPLDunit,DDSunit,analogsignalmodulatorunit,andpowerunit,wherebothsoftwareandhardwaredesignareaccomplishedaccordingtoeachunit.

Inthedesignofsystemhardware,specificanalysisanddesignforhowtorealizetheelectriccircuitshadbeencarriedout.

Inthedesignofsystemsoftware,theirmainfunctionswereintroducedaccordingtounits.

Finally,onthebasisofthemainfunctionsofthissignalgenerator,thesystemfunctionshadbeentested,andbasingonthespecifictestingwaveformandtestingdatatheresulthadbeenanalyzed.

Boththeexperimentandexperimentalresultindicatedthatthedesignedsystemisasystemsimple-structured,user-friendly,multi-compatible,verystableandreliabledesignpresentingagreatvalueforpracticalapplications.

Keywords:

signalgenerator;DDS;MCU;CPLD;design

1.4DDS原理分析………………………………………………………8

1.5本文主要研究内容………………………………………………12

3.3DDS模块设计………………………………………………………29

3.4可编程逻辑器件模块设计………………………………………..31

3.5模拟调理电路设计……………………………………………….32

3.6电源模块设计………………………………………………….44

3.7印刷电路板设计……………………………………………….48

4.3主监控程序模块设计…………………………………………..54

4.4DDS程序控制模块设计………………………………………..55

4.5键盘扫描模块设计……………………………………………..56

4.6电压采样显示模块设计………………………………………..57

4.7CPLD模块设计…………………………………………………..58

4.8测频模块设计…………………………………………………..61

5.3频率显示参数测试………………………………………………73

5.4信号发生器的典型波形………………………………………..74

前言

随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。

工业设备常用频率信号作为采量集，如使用光电编码器采集数据，当调试使用频率信号的设备时，由于机械等部份还未动作，无法采集信号，因此需要使用信号发生器。

对于在工业现场使用的设备，其要求与实验室设备并不相同，如果直接使用实验室中所用的标准信号发生器，往往会觉得其体积过大、价格太高、使用较麻烦等。

工业现场使用的设备，其绝对精度要求并不高，关键要稳定可靠，便于携带和使用。

数字信号发生器是一种数据信号发生器，在调试硬件时，需要一些信号以观察电路是否正常。

单片机是实现各种控制策略和算法的载体。

该数字信号发生器运用单片机技术，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、方波、三角波等幅值可调的信号。

信号频率，可通过键盘输入，并显示。

产生的数字信号具有干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，人机界面友好，成本低等优点。

数字信号发生器除具有广泛的特性和优良的模拟性能之外，还提供多种数字调制功能，以及空前的电平精度。

第一章绪论

数字信号发生器广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。

信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样，是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有需要进行电参量的测量都需要用到信号发生器作为输入信号使用。

1.1项目设计背景

信号发生器按输出波形可分为正弦波信号发生器、脉冲信号发生器、

函数信号发生器和任意波形发生器等。

按其产生频率的方法又可分为调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器

1．调谐信号发生器是由调谐振荡器构成，传统调谐信号发生器都是由调谐振荡器和统调的调幅放大器（输出放大器）加上一些指示电路构成。

这种信号发生器结构复杂、频率范围窄，而且可靠性、稳定性较差，波形失真比较大。

随着集成电路的迅速发展，高性能的集成电路越来越多，这类信号发生器的性能有所改善。

一般这种信号发生器只能手动来转换量程，不仅体积大，而且可靠性和准确度很难进一步提高，频率准确度一般在0．5％以下。

现代电子测量对信号发生器的频率准确度和稳定度要求越来越高，要求在较宽的频率范围内获得高稳定度和准确度的输出信号。

因此调谐信号发生器己经越来越不能满足现代电子测量的需要。

另外，这类信号发生器只能产生规则波形，如方波、三角波、TTL信号和正弦波。

进行科学试验则对信号发生器的输出波形提出了各种各样的要求，采用纯模拟的方法很难满足实验的要求。

2．锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号的信号源。

这类信号发生器频率的精度和稳定度很高，但要实现快速和数控比较困难，同时输出信号的频率分辨率较差。

实现高分辨率的信号发生器，采用锁相环来实现有一定的难度，尤其是覆盖低频和高频的信号发生器采用锁相实现比较困难。

3．合成信号发生器是采用频率合成方法构成的信号发生器。

合成信号发生器中使用一个晶体参考频率源，所需的各种频率都由它经过分频、混频和倍频后得到的，因而合成器输出频率的稳定性和精度与参考源一样，现在绝大多数频率合成技术都使用这种合成方法。

这类信号发生器具有频率稳定度高、分辨率高、输出信号频率范围宽、频率易于实现程序控制、可以实现多种波形输出及频率显示方便等优点。

近10年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，它有其它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。

具体体现在频率范围宽、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。

传统的模拟信号发生器存在可靠性差、体积大、不能实现数控等缺点。

DDS信号发生器与模拟信号发生器相比，具有很大的优势。

DDS是数字化高密度集成电路产品，芯片体积小、功耗低，成为现代信号发生器的主流产品，是信号发生器的换代产品。

目前市场上很多DDS信号发生器成本较高，输出频率在100Hz以上的较多，可靠性不高。

本项目研制的信号发生器主要是针对高校非通信类实验中使用的信号发生器。

1.2DDS信号发生器方案比较

DDS的应用使信号发生器发生了革命性的变化，它的应用变得越来越广泛，具有重大的理论和实用意义。

目前完成对DDS芯片的控制和设置有三种方案：

1.MCU方案

这种方案采用单片机为核心控制模块，通过单片机的SPI总线与DDS芯片进行接口通信，单片机应用系统可以扩展外部的RAM和ROM，以存放数据和程序。

另外，单片机应用系统还可以扩展键盘和LED显示等人机接口部分，因此可以通过键盘直接对DDS芯片进行设置。

利用单片机控制DDS芯片产生所需的各种波形，电路简单，成本较低，但单片机的I／O口少，难以实现同时对信号发生器的键盘、LED灯和数码管的控制。

2.CPLD方案

这种方案是利用CPLD的高速度和可编程特性，通过CPLD直接对DDS芯片进行控制。

该方案需要控制高速DDS芯片时具有明显的优势，但灵活性却受到限制，产生信号形式单一，改变信号输出波形需要重新更改CPLD，因此只能在特定应用中采用这种方案。

3.DSP方案

这种方案就是采用以DSP为核心的控制模块，其余同MCU方案相同。

由于DSP速度快，因此不会存在MCU方案中的缺点。

但采用这种方案会带来成本和设计的复杂性明显增加。

综合上述几种方案的优缺点，提出了一种改进方案：

MCU+CPLD方案，即采用单片机作控制器，通过CPLD完成对DDS模块的控制。

采用这种方案主要基于以下几点考虑：

首先考虑到MCU的经济、简单、灵活等优点，选择以单片机MCS一51为核心的方案来实现控制模块。

本系统设计采用CYGNAL公司的C8051F206作为控制模块的微处理器，C8051F206内部含有1024字节的RAM、8K的FLASHROM，所以不需要扩展其它的存储器，就可以满足设计要求；

其次考虑到CPLD的高速度和I／O口多的特点，这样可以弥补单片机速度慢和I／O口少的缺点。

传统的数字系统由固定功能标准集成电路74／54、4000、4500系列和一些功能固定的集成电路构成，设计无灵活性，芯片种类多，数目大。

本信号发生器的数字电路部分采用现代电子系统设计方案，采用仅由三种标准模块：

微处理器、存贮器和PLD构成，即CPU+RAM+PLD模式，PLD的设计是其核心。

本文研制的信号发生器对接口芯片有特殊的要求，目前市场上已有的专用芯片很难满足要求。

采用全定制IC具有速度高、功耗低、保密性好等优点，缺点是由于用量小，成本太高，研制风险大。

采用半定制IC芯片CPLD作为单片机的接口，通过设计者对IC进行布线设计以完成最终设计。

采用半定制IC优点及功能由用户自己设计，产品设计周期短，费用低，适用于小批量生产，研制风险小。

本方案中，采用半定制芯片EPM3128作为单片机与面板和DDS之间的接口芯片，根据功能需要自定义接口芯片的功能。

同时利用可编程器件对外加信号进行分频，实现等精度外测频功能。

利用CPLD的可编程性，拓宽了信号发生器设计的应用范围，提高设计的灵活性，为信号发生器的功能扩展提供了方便。

1.3频率合成技术概述

常用的频率合成技术（FS，FrequencySynthesis）有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-NPLLSynthesis）等，直接数字合成（DirectDigitalSynthesis-DDS）是近年来新的FS技术。

1.频率合成技术的发展现状

由于直接数字频率合成器采用全数字方式实现频率合成，它直接对参考正弦时钟进行抽样和数字化，然后通过数字计算技术进行频率合成。

因此，它具有其它频率合成方法无法比拟的优点，如频率转换速度快、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成、体积小、功耗低等。

直接数字频率合成器在现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS／PCN系统、雷达、卫星通信等众多领域得到了广泛应用.。

频率合成技术主要用于实现各种信号发生器，由于实际使用中需要的信号频率、信号精度各异，半导体厂商根据不同的应用场合，推出了一系列DDS产品。

Qualcomm公司推出了Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列：

AD9850、AD985l、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856和AD9857。

AD公司的DDS系列产品以其较高的性价比，取得了极为广泛的应用。

AD公司的常用DDS芯片选用列表见表1-1。

AD9834特性：

（1）高度集成化，无需或仅需极少的外接元件支持；

（2）兼容3线的SPI串行输入口，带双缓冲，能方便地配合单片机和可编程器件的使用；

（3）增益误差和总谐波失真很低。

2．DDS特点

DDS采用频率合成方法的全数字结构，因而具备很多传统信号发生器所没有的特点，DDS频率合成技术的特点主要表现为下面几点：

（1）具有极高的频率分辨率

这是DDS最主要的优点之一，DDS的频率分辨率决定于相位累加器的位数和参考时钟频率，只要相位累加器的位数足够长，DDS的频率分辨率可以达到足够高。

（2）DDS具有任意波形输出能力

DDS中相位累加器输出所寻址的波形数据并非一定是正弦信号的，只要该波形所包含的高频分量小于取样频率的一半，那么这个波形就可以由DDS产生，而且由于DDS为模块化的结构，输出波形仅由波形存储器中的数据来决定，因此，只需要改变存储器中的数据，就可以利用DDS产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等任意波形。

（3）输出频率的相对带宽很宽

DDS输出频率为时钟频率

clk的1／3，实际工程中，可实现的DDS输出频率的上限一般为0.4

clk。

（4）DDS具有极短的频率转换时间

DDS是一个开环系统，没有反馈环节。

这样的结构决定了DDS的频率转换时间是由频率控制字的传输时间、内部数字电路的延迟时间、DAC的延迟时间以及外部低通滤波器的频率响应时间之和决定的。

高速DDS系统的频率转换时间极其短，一般可达到ns量级。

（5）DDS具有在频率变化时相位连续的特点

改变DDS输出频率，实质就是改变相位增长率。

而相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性，避免了相位信息的丢失。

（6）DDS输出波形灵活

由于DDS采用全数字结构，本身又是一个相位控制系统，因此在DDS设计中能方便地实现数字调频、调相以及调幅的功能，以产生ASK、FSK、PSK、MSK等多种信号。

（7）输出正交信号

有些场合需要同时输出两个正交的信号。

由于DDS芯片采用正电源供电，输出信号中含有直流，采用减法器就很方便地去掉了直流成分。

（8）设计方便

整片DDS包括了信号D／A变换器，在系统设计时易于实现，而且现在的DDS不再需要专门的高频设计，简单的数字控制减少了硬件的复杂性。

（9）功耗小

整片DDS的功耗比早期离散型DDS要小。

3．DDS局限性

1）输出频带范围有限

由于DDS内部DAC和波形存储器（ROM）的工作速度限制，使得DDS输出的最高频率有限。

目前市场上采用CMOS、TYL、ECL工艺制作的DDS芯片。

2）输出杂散大

由于DDS采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。

其来源主要有三个：

相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。

为了克服DDS输出杂散大的特点，国内外学者对DDS输出频谱特性进行了大量研究，在分析频谱特性的基础上，提出了一些降低杂散功率的方法，主要有如下三种：

①优化设计波形ROM和相位累加器；

②用随机抖动法提高无杂散动态范围；

③使用过采样的方式降低带内误差功率。

为了提高DDS输出信号的频率，一方面一些半导体公司利用目前最先进的半导体技术不断提高DDS芯片本身的工作频率，另一方面很多研究者和企业将DDS技术与其他方法组合起来以扩展输出信号频率，例如DDS+PLL组合式频率合成器就是一种扩展DDS信号频率的有效方法，它兼顾了DDS和PLL两者的优点。

DDS技术发展速度和应用范围之广是惊人的，从七十年代到今天，世界发达国家从未间断过对DDS技术及其应用的研究，一批批成功的DDS芯片和DDS应用产品正在逐步获得国际市场的青睐。

我国对DDS的研究刚刚起步，存在大量的艰巨工作要做，如精确分析DDS的杂散频谱特性，研究DDS杂散功率降低方法以及扩展DDS的输出带宽，以发挥其频率分辨率高、频率转换快、相位噪声低和全数字化等优点，使DDS在通信和仪器仪表等电子系统发挥更大的作用。

1.4DDS原理分析

直接数字频率合成（DDS）（DirectDigitalFrequencySynthesis）技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。

它是以一个固定频率精度的时钟作为参考时钟源，通过数字信号处理技术产生一个频率和相位可调的输出信号。

从本质上来说，它是由设置的可编程的二进制控制字对参考时钟做除法运算。

控制字一般是24～48位字长。

所以可以认为DDS就是数字信号处理理论的延伸，是数字信号中信号综合的硬件实现问题。

一个直接数字频率合成器由相位累积器、加法器、波形存储ROM、D／A转换器和低通滤波器（LPF）构成。

DDS的原理框图如图1—1所示：

其中K为频率控制字、P为相位控制字、W为波形控制字、

c为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D／A转换器的字长。

相位累加器在时钟￡c的控制下以步长K作累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址，对波形ROM进行寻址，波形ROM输出D位的幅度码S（n）经D／A转换器变成阶梯波S（t），再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。

合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅度码，因此用DDS可以产生任意波形。

（1）频率预置与调节电路

K被称为频率控制字，也叫相位增量。

DDS方程为：

o=

cK／

o为输出频率，

c为时钟频率。

当K=l时，DDS输出最低频率（也即频率分辨率）为

c／

，而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，即

c／2，也就是说K的最大值为

。

因此，只要N足够大，DDS可以得到很细的频率间隔。

改变频率控制字K即可改变DDS的输出频率。

（2）相位累加器

相位累加器工作原理如图1-2所示。

累加器由N位加法器与N位寄存器级联构成。

每来一个时钟脉冲

c，加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。

寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加。

这样，相位累加器在时钟的作用下，进行相位累加。

当相位累加器累加满量时，产生一次溢出，完成一个周期性的动作。

（3）控制相位的加法器

通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数。

令相位加法器的字长为N，当相位控制字由0跃变到P（P≠O）时，波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和，因此其输出的幅度编码相位会增加P／

，从而使最后输出的信号产生相移。

（4）控制波形的加法器

通过改变波形控制字W可以控制输出信号的波形。

由于波形存储器中的不同波形是分块存储的，所以当波形控制字改变时，波形存储器的输入为改变相位后的地址与波形控制字W（波形地址）之和，从而使最后输出的信号产生相移。

（5）波形存储器