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1、22组 DDS可编程函数信号发生器 副本 电子设计大赛(论文)可编程信号发生器 学 校： 电子科技大学中山大学系 别： 电子信息学院专业名称： 电子信息工程学 生 姓 名： 吴彬勋 李泳超 吴伟嘉 组 别： 专业组指导教师姓名、职称： 张正明（教授） 完成日期 2011 年 6 月 7 日目 录摘要 1第1章 绪 论 21.1课题研究的意义与作用 21.2 DDS的研究现状及发展趋势 21.3 DDS的系统简介 31.3.1 DDS的基本原理 31.3.2 DDS的能特点 31.3.3 实现AD9850信号发生系统的方案 5第2章 信号发生系统硬件设计 72.1 系统功能实现及需求分析 72.

2、2 主要电路设计 82.2.1正弦信号产生模块设计 82.2.2 键盘扩展电路设计 9第3章 信号发生系统软件设计 103.1 程序编写及调试 103.2 程序设计思路及部分模块测试程序 103.2.1 程序设计思路 103.2.2模块测试程序 11第4章 系统参数性能测试及总结 124.1试验参数测试结果 124.2实验总结 12附件1 PCB电路图 18附件2 实物图 19附录3 源程序清单 22摘要本系统以52单片机为控制核心，由正弦信号发生模块、方波信号发生模块以及测试信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9850产生1kHz40MHz正弦信号,方波信号,三角信号，2PSK

3、，LFM。另外，本系统从简单、调整方便、功能完备为出发点，基本实现了设计中的要求，波形输出较稳定，且精度较高。本设计还配备有键盘，提供了友好的人机交互界面。软件部分应用单片机C语言实现了本设计的全部控制功能，程序使用模块化设计与最优化编程，由于系统资源丰富，还可方便的扩展其应用。关键词：52单片机，AD9850，键盘，可编程，正弦信号,方波信号,三角信号，2PSK，LFM 第1章 绪 论1.1课题研究的意义与作用 1971年，美国学者j.Tierney等人撰写的A Digital Frequency Synthesizer-文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率

4、合成原理。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。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（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于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姣姣者。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。1.2 DDS的研究现状及发展趋势在频率合成（FS, Frequency Synthesis）领域中，常用的频率

5、合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接数字合成(Direct Digital SynthesisDDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图1-1所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波

6、信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。 DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达Hz级，相位控制小于0.09）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。 其实，以前DDS价格昂贵、功耗大（以前的功耗达Watt级）、DAC器件转换速率不高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件，其功耗降低到mW级（AD9851

7、在3.3v时功耗为650mW），功能增加了，价格便宜。因此，DDS也获得广泛的应用：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。1.3 DDS的系统简介1.3.1 DDS的基本原理DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理可用图1-2来表示。 相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fs，加法器将频率控制字K与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新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脉冲的

8、作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到DA转换器，DA转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。 DDS在相对带宽、频率转换时间

9、、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。1.3.2 DDS的能特点(1)输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为50%fs（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40% fs。 (2)频率转换时间短DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时

10、钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 (3)频率分辨率极高若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在Hz数量级，许多小于MHz甚至更小。 (4)相位变化连续改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，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。 (5)输出波形的灵活性只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、

11、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 (6)其他优点 由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。DDS也有局限性，主要表现在： 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输出的最高频有限。目前市场上采用CMOS、TTL、ECL工艺制作的DDS工习片，工作频率一

12、般在几十MHz至400MHz左右。采用GaAs工艺的DDS芯片工作频率可达2GHz左右。 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。1.3.3 实现AD9850信号发生系统的方案采用高性能DDS芯片的信号发生电路的解决方案，首先进行器件选型。随着微电子技术的飞速发展，目前各种性能优良的DDS产品不断推出，AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前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，下面仅对比较常用的AD公司的

13、芯片作一简单介绍。表1.1 AD公司的常用DDS芯片选用列表型 号最大工作(MHz)工作电压（V）最大功耗（mw)备 注AD9832253.3/5120小型封装，串行输入，内置D/A转换器。AD9831253.3/5120低电压，经济，内置D/A转换器。AD9833252.55.52010个管脚的uSOIC封装。AD9834502.55.52520个管脚的TSSOP封装并内置比较器。AD9835505200经济，小型封装，串行输入，内置D/A转换器。AD9830505300经济，并行输入，内置D/A转换器。AD98501253.3/5480内置比较器和D/A转换器。AD98531653.3/5

14、1150可编程数字QPSK/16-QAM调制器。AD98511803/3.3/5650内置比较器、D/A转换器和时钟6倍频器。AD98523003.31200内置12位的D/A转换器、高速比较器、线性调频和可编程参考时钟倍频器。AD98543003.31200内置12位两路正交D/A转换器、高速比较器和可编程参考时钟倍频器。AD985810003.32000内置10位的D/A转换器、150MHz相频检测器、充电汞和2GHz混频器。 AD9850 采用先进的CMOS 工艺, 其功耗在3.3V 供电时仅为155mW,温度范围为-4080, 采用28 脚SSOP 表面封装形式。图2.3为其组成框图。

15、图中层虚线内是一个完整的可编程DDS系统,外层虚线内包含了AD9850的主要组成部分。AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器, 它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N为32；每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加；相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上；正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息, 每一个地址对应正弦波中 0360范围的一个相位点；查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号, 然后驱动DAC 以输出模拟量。相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次, 相应

16、地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置, 从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波周期TO = Tc2N/M，频率fout = Mfc/2N ，Tc、fc 分别为外部参考时钟的周期和频率。AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14 位输入到正弦查询表,查询表的输出再被截断成10 位后输入到DAC， DAC输出两个互补的电流。图 1.3 AD9850信号发生系统组成框图DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节, 调节关系为ISET = 32 (1.248V/ RSET) , RSET的典型值是3.9k。其系统功能结构如图2.4所示。 AD9850在接上精密时钟源和写入频

17、率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出, 此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。在125MHz 的时钟下, 32 位的频率控制字可使AD9850 的输出频率分辨率达0.0291Hz；并具有5位相位控制位,而且允许相位按增量180、90、45、22.5、11.25或这些值的组合进行调整。 图 1.4 AD9850结构 第2章 信号发生系统硬件设计2.1 系统功能实现及需求分析本设计采用STC89C52单片机作为主要芯片来实现对AD9850芯片等外设的控制，STC89C52单片机有64kflash并且保密性能十分优秀，完全可以满足本设计的要求。

18、用液晶显示模块可以实时显示AD9850信号发生系统的工作状态（当前输出频率，控制系统运行状态），提供有好的操作界面。利用键盘的外部输入实现对输出频率的控制和设定。基于设计功能需求，本设计采用的是独立_键盘，这样可以合理地利用硬件资源，并且编程灵活。2.2 主要电路设计 图2.1 系统的总体框图2.2.1正弦信号产生模块设计正弦信号产生模块的主要部分是AD9850芯片及其外围电路的设计。芯片输出信号经过椭圆形滤波器后得到正弦波，信号送回到AD9850芯片，最终输出方波。电路中重要的节点都可以用短路帽连接，也可以选择性的断开某部分电路。 图2.2 AD9850信号发生模块的设计 2.2.3 键盘扩

19、展电路设计，为独立键盘。注：按键说明 按键1 为LFM 按键2为 固定频率1khz 按键3为 固定频率10khz 按键4为 固定频率20Mhz 按键5为 频率1MHz递加 按键6为频率1MHz递减 按键7为 频率更改键和退出设置键 按键8为 复位 第3章 信号发生系统软件设计系统软件部分主要包括了具有友好的交互式操作界面，各种信号的设置和控制。正弦波产生过程为：频率设置，同步显示，数据处理，然后控制DDS芯片完成各种频率的正弦波产生；方波产生过程为：正弦波经过AD9850内置的电压比较器，产生输出方波。 (详细程序见附录) 3.1 程序编写及调试 程序编写环境：Windows xp+Visio

20、n3 IDE3.2 程序设计思路及部分模块测试程序3.2.1 程序设计思路单片机得到键盘的输入，按复位键后，利用输入的频率值，计算得到相应的频率控制字，送到AD9850中，通过内置的波形发生电路产生正确的波形输出。下面为程序流程图： 图 3.1 程序流程图3.2.2模块测试程序附录1为源程序清单。第4章 系统参数性能测试及总结4.1试验参数测试结果1、测试仪器Tektronix TDS1012B 100MHz 双通道数字示波器；2、指标测试(1) 正弦波指标测试把正弦波输出端接入示波器，以1K，10K，1M，2M，3M,4M,5M，6M,7M,8M,9M,10M，11M,12M,13M,14,

21、15M，16M,17M,18M,19M,20M,30M作为测试点，得到如表4.1数据。表 4.1 正弦波指标测试数据期望频率输出频率失真度 ( 目测 )1KHz999.99999Hz无10KHz9.99999KHz无1MHz1.00000MHz无2MHz3MHz4MHz2.00000MHz3.00000MHz4.00001MHz无无无5MHz6MHz7MHz8MHz9MHz5.00001MHz6.00000MHz7.00001MHz8.00000MHz9.00000MHz无无无无无10MHz11MHz12MHz13MHz14MHz10.00000MHz11.00000MHz12.00000MH

22、z13.00000MHz14.00004MHz少许尖顶少许尖顶少许尖顶少许尖顶少许尖顶15MHz16MHz17MHz18MHz19MHz15.00000MHz16.00004Mhz17.00005MHz1800005MHz19.00004MHz少许尖顶少许尖顶少许尖顶少许尖顶少许尖顶，20MHz40MHz20.00000MHz40.00002MHz少许尖顶，图像有少量不清晰少许尖顶,图像有少量不清晰由上表可见，正弦波输出频率在1KHz500KHz带宽内输出存在频率误差，在500KHz20MHz带宽内误差在0.001%之内。但输出频率高于10MHz时输出波形就会出现少许失真，原因可能是电路设计不

23、足，跳线太多，造成高频干扰。(2) 方波指标测试把方波输出信号接入示波器，目测输出波形，测试数据如表4.2。表 4.2 方波指标测试数据期望频率 输出频率失真度 ( 目测 ) 1KHz 10.001KHz 轻微毛刺10KHz 100.0KHz 少许毛刺1MHz 1.000MHz 少许毛刺2MHz 2.000MHz 毛刺变大3MHz 3.030MHz 毛刺变大5MHz 5.000M毛刺变大由上表可见，方波输出频率在1KHz5MHz带宽内输出频率误差很小。但输出频率高于5MHz时输出波形就会出现很大失真，到10M以上时已经近似三角波。原因可能是滤波电路设计滤波性能存在偏差，导致轻微毛刺始终存在。4

24、.2实验总结在确定了的开放实验题目以后，我们小组翻阅和浏览了许多相关资料，对ad9850的功能、优点有了较多的了解，经过功能分析和可行性研究，多次讨论，制定了设计方案和计划。经过潜心钻研和指导老师的耐心指点，逐步完成了正弦信号输出模块、键盘输入模块等的电路设计和编程，并融合在一起，后期又不断进行改进。在本论文完成之时，我们感到收获颇丰，对STC单片机的体系结构、工作原理和编程原理有了更深的了解，达到了能初步应用的水平；熟悉了Keil C程序开发环境，已能够在Keil C集成开发环境下编写和调试各个系列单片机的模块和整体程序；熟练了PROTELse99画图软件；在实际电路组装过程中，积累了一些经

25、验，锻炼了动手能力。 致 谢经过三个多星期的学习和锻炼，本次开放实验基本完成并达到了预期目标。在这期间自己的自学能力、创新能力、实际动手能力、独立分析问题和解决问题的能力等都有了一个比较大的提高。在开放实验过程中不仅使自己以往所学理论知识得到巩固提高，而且在实际设计过程中获得了一些新的认识和想法，更为重要的是开拓了自己的眼界和思路，掌握了一些基本的科学研究步骤和方法，培养了自己的科学精神。在此非常感谢张正明老师在百忙之中抽空为我们指导相关问题。 参考文献1郭天祥新概念51单片机C语言教程 入门、提高、开发、拓展全攻略电子工业出版社，2008 2求是科技单片机典型模块设计实例导航第2版人民邮电出

26、版社，2008附件1 PCB电路图附件2 实物图1 方波+正弦波2 三角波3 2PSK 4 LFM（线性低频调制）由按键动态显示附录3 源程序清单/*/题目： AD9850 DDS芯片信号发生器/日期： 2011、052011、06 /编写者： Wu Binxun、Li Yongchao /*/ 程序说明 /*/函数1:void main() /主函数 /函数2:uchar key_scanf() /键盘扫描函数 /函数3:void delayms(uint ms) /延时 /函数4:void mcu_init() /单片机初始化/函数5:void lcd1602_write_com(ucha

27、r com) /LCD1602液晶写指令函数/函数6:void lcd1602_write_dat(uchar dat) /LCD1602液晶写数据函数/函数7:void lcd1602_init() /1602液晶初始化/函数8:void lcd_display(uchar addr,uchar *adata) /LCD1602液晶显示函数/函数9:void ad9850_reset_serial() /ad9850复位/函数10:void ad9850_wr_parrel(uchar w0,double frequence) /向ad9850中写命令与数据/函数11:void lcd_di

28、splay1(0x00,tablek); /LCD1602液晶显示函数1/P0口是数据接口，P1口是键盘，P2是LCD液晶，/需定义的位：/sbit lcdrs=P36; / 液晶1602的指令、数据选择端/sbit lcden=P37; / 液晶1602的使能端/sbit ad9850_w_clk=P30; /控制字节时钟 /sbit ad9850_fq_up=P31; /频率更新 /sbit ad9850_rest=P32; AD9850复位/sbit cp=P33; /触发器的时钟脉冲/键盘功能/ 1：LFM /2-4:固定频率 1K、10K、20M和2PSK波形/ 7:频率更改确定键和退出键/5-6:自加和自减，步进为1MHz/*/-/ 程序 /-/#include uchar code table4=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19, 20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36, 37,38,39,40;ucha