自动化毕业论文：基于ad9851的dds信号源发生器

自动化毕业论文：基于ad9851的dds信号源发生器内容摘要：

gnal generator consists of three blocks， those 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. 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 1 页 第 1 章 绪论 随着现代电子技术的发展，在自动化系统、通信系统，电子对抗以及各种电子测量技术中，我们常常需要一个高精度、频率可变的信号源。 近年来随着直接数字频率合成技术（ Direct Digital Frequency Synthesis，简称 DDS）的发展，这个问题已经得到很好的解决，与传统的频率合成技术相比， DDS 具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等优点。 用 DDS 合成的频率源是目前很高级的技术，研究该信号源有比较重要的理论意义和现实意义。 课题来源 该题目是自选题目 课题背景 在现代雷达、通信、电子对抗等系统中频率合成器有着广泛的应用，它是 电子系统的心脏，是决定电子系统性能的关键设备，很多现代电子设备和系统 的功能都直接依赖于所使用的频率合成器的性能。 直接数字频率合成 (DDS)技术是近二十年新兴的一种频率合成技术，它具有分辨率高、切换速度快、相 位连续等一系列优点。 由于 DDS技术具有众多优点，使得它在通信领域如数字调制、移动通信、扩频通信等方面得到了广泛使用。 直接数字频率合成技术的现状 随着数字信号理论和超大规模集成电路 VLSI 的发展，在频率合成领域诞生 了一种革命性的技术，那就是七十年代出现的直接数字频率合成 DDS，它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。 1971 年 3 月 和 等人首先提出了 DDS 的概念；利用数字方式累加相位，再以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列，最后经 D／ A变换 得到模拟正弦波输出。 在系统时钟一定的情况下，输出频率决定于频率寄存器中的频率字。 而累加器的字长决定分辨率。 基于这样的结构 DDS 频率合成器具有以下优点： (1)频率分辨率高，输出频点多，可达 2N个频点 (N 为 DDS 相位累加器的字河南大学本科毕业生学士学位论文 第 2 页 长 )； (2)频率切换速度快，可达岸 us 量级； (3)频率切换时相位连续； (4)可以输出宽带正交信号； (5)输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；(6)可以产生任意波形； (7)全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。 运用 DDS 技术生产的 DDS 任意波形信号发生器是一类较新的信号源 并已 经广泛投入使用。 它不仅能产生传统函数信号器能产生的正弦波、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信信号。 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。 本文的主要工作 本论文的任务是根据 DDS 信号发生器的特点和应用情况，结合新一代高性能芯片设计一种使用简单、性能优良的信号发生器。 整个系统以单片机 STC89S52控制， DDS 芯片 AD9851 为核心，配置相应的外设及 接口电路，用 C语言开发，组成一个多功能的信号发生器。 本文的主要工作如下： (1)根据课题提出的指标和要求进行研究，分析其可行性。 (2)对系统的各个功能模块进行了深入的分析和研究，在对课题所采用的方 案进行详细的研究后设计了具体的功能电路。 (3)熟悉所选择的各集成电路芯片并完成具体电路的设计、 PCB 板布局与模 块结构设计，对各模块电路进行了精心调试。 (4)对系统的最终指标进行了测试，针对系统的不足，进行了分析并提出了一些改进的方法。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 3 页 第 2 章 系统总体方案的分析和设计 DDS 技术的基本原理 DDS 的基本工作原理是在采样时钟信号的控制下，通过由频率码控制的相位累加器输出相位码，将存储于只读存储器的波形量化采样数据值按一定的规律读出，经 D/A 转换和低通滤波后输出正弦信号。 其主要组成为：相位累加器、相位相加器、波形存储器、数字相乘器和 D/A 转换器。 下面就 AD9851 如何实现正弦波和方波来介绍 DDS 的基本原理，如图 21所示。 图 21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 AD9851的主要组成部分。 AD9851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。 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 0176。 ～360176。 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 以输出模式量。 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，相位地正弦查询表每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=Tc*2N/M，频率 fout=M*fc/2N，Tc、 fc 分别为外部参考时钟的周期和频率。 AD9851 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 再输出两个互补的电流。 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()， RSET 的典型值是。 将 DAC的输出经低通滤波后接到 AD9851 内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动很小的方波。 AD9851在接上精密时钟源和写入频率相 位控制字之间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 AD9851的输出频率分辨率达 ；并具有 5位相位控制位，而且允许相位按增量 180176。 、 90176。 、 45176。 、 176。 、 176。 或这些值的组合进行调整。 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 4 页 图 21 AD9851 的结构框图 DDS 的工作特点 DDS 的原理使其具备了以下优良的工作特点 : (1)频率分辨率高 如前所 述， DDS 的分辨率在 fc 固定时，取决于相位累加器的位数 N，只要N 取足够大，理论上可以获得相应的频率分辨精度，这在传统的频率合成方法上是难以实现的。 (2)频率变化速度快 在 DDS 中，一个频率的建立时间通常取决于滤波器的带宽。 其影响因素有 内部数控振荡器内的工艺结构、数模变换及其它可能的信号处理步骤产生的时延，其中数字信号处理部分的时延与时钟周期相关。 由于 DDS 中无须相位反馈控制，因而频率建立及切换快并且与频率分辨率、频谱纯度相互独立。 (3)易于实现各种数字调制 由于 DDS 信号的频率、相位、幅度均可由数字信 号控制，所以可以通过预 置内部相位累加器的初始值来精确控制输出信号，调幅时直接在 ROM 表输出端对幅度进行控制，调相时在相位累加器输出端直接加上调制信号即可，调频可通过频率控制字进行，在进行 CHIRP 调制时，也只需在频率控制字前再加一个累加器即可。 同时， DDS 也非常易于实现如 PSK、 FSK 等高精度的数字调制和正交调制。 (4)集成度高 DDS 中除了滤波器以外，几乎所有的部件都属于数字信号处理部件，系统易于集成，功耗低，体积小，重量轻。 系统设计原理 本文提出的采用 DDS 作为信号发生核心器件的全数控函 数信号发生器设计河南大学本科毕业生学士学位论文 第 5 页 方案， 根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了美国 A/D 公司的 AD9851 芯片，并通过单片机程序控制和处理 AD9851 的 32 位频率控制字， 再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络， 从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。 本系统主要由单片机、 DDS 直接频率信号合成器、数字衰减电路、真有效值转换模块、 A/D 转换模块、数字积分选择电路等部分组成。 单片机 AT89S52是整个系统关键部分，通过对键盘进行扫描读入相位信息，经转换后输 出到芯片 AD9851，输出波形。 键盘输入的数字信息经 AT89S52 控制的 LCD1602 显示。 系统框图分析和设计 系统结构组成如图 22 所示，主要由单片机控制模块、键盘与显示模块、数字合成模块、滤波模块及运放模块。 其中，信号产生由单片机控制模块和数字合成模块实现，键盘与显示模块则用来实现人机交互的功能，滤波模块及运放模块用来对信号进行后期处理。 图 22 信号发生器系统框图 用户从仪器面板上按键输入命令，数据将显示在字符型 LCD上，并将命 令 传输到单片机，再由单片机控制 DDS芯片输出信号，并通过后级信号调理电路，最后输出所需的信号。 因为是可调控制，调节按钮不仅可以输出不同的波形，而且能增加和减小输出波形的频率。 LCD1602 键盘 单片机 低通滤波器 信号输出 AD9851 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 6 页 第 3 章 系统的硬件设计 因为本课题的功能电路与相关部件较多，为了便于研制期间的调试与最终 成品的产业化，所以系统的最后实现采用了模块化的思想，即先把各个相关的电路与部件做成相互独立的分离模块，而系统的功能则是通过各模块间的级联来完成的。 下面将分别叙述各功能模块及其中所用到的器件、电路以及在系统设计、调试过程中应该注意的问题。 稳压电源的设计 单片机的 +5v 电源的获得可通过直流电或者交流电获得，通过直流电获得可直接用电脑 USB 接口、干电池及 DC— DC的方式获得，而本系统 通过 7805 稳压电路将 12V 电压转换成 5V 直流电压， 输出电压稳定，其最大输出电流可为1A，能带动一定的负载。 三端稳压集成电路 7805 简介 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78 系列和负电压输出的 79 系列。 三端 IC 是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。 本系统需要使用 +5v 输出作 为单片机电源，故选用 7805。 用 7805 三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。 但要注意，其最大输出电流为 ，因此在使用中要注意电路电流上限。 7805 的引脚图为 31，其电路图为 32。 31 7805 引脚图 32 7805 电路图 河南大学本科毕业生学士学位论文 第 7 页 系统电源电路设计 12V 的直流电源经过滤波电路、 7805 稳压电路后 输出 +5v 直流电源，工作原理如图 33： 图 33 +5v 电源工作原理图 在实际电路中， 12V 的直流电源需要在这里接一个 100u。