基于dds的毕业设计论文(编辑修改稿)

基于dds的毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

等都是典型代表，它们功能强大且性能稳定，其系统时钟频率从 30MHz到 1GHz不等，在芯片内部还做了抑制杂散的处理，它们不仅能产生传统的三角波、方波、锯齿波，而且还可以产生任意波形，因此很适合做各种调制方式分析。 任意波形发生器除了具有一般函数发生器具有的信号发生功能以外，还可以通过 PC 控制和手动设置方法产生任意波形，合成和还原任意波形信号。 本课题研究目标 在 DDS 理论基础上 通过 STC89C52 芯片来实现对 DDS 芯片 AD9854 的控制并产生正弦波、方波、 FSK、 BPSK 信号波形。 本文的技术指标如下： (1)工作频率范围： 10Hz— 80MHz； (2)频率分辨率： ； (3)输出幅度： 0～ 10V； (4)相位噪声：优于 85 dBc/Hz (Af=5KHZ)； 优于 90 dBc/Hz (Af=50KHz)； 基于 DDS的多波形发生器研究与设计 2 总 设计框图 本文的设计框图如下 所示： 图 系统总设计框图 STC89C52 AD9854 低通滤波电路 运放 方波 积分器 三角波 正弦波 FSK BPSK 基于 DDS的多波形发生器研究与设计 3 第 2 章 直接数字频率合成的技术原理 DDS 简介 直接 数字 频 率合成技 术是 从相位概念出发直接合成所需波形的一种新 技术。 它在众多领域 中 都有 着广泛的 应用。 1971 年 3 月美国学者 、 和 首次提出了直接数字频率合成（ DDSDirect Digital Synthesis）技术 的观点。 这是一种从相位概念出发的直接合成所需要波形的 频率合成技术。 同传统的频率合成技术相比， DDS 具有优良 的频率分辨率 、 相位 变化 连 续、相位噪声低的优点 ，因此 也 非常重要的 发展。 直接数字频率合成的技术指标 直接数字 频率 合成（ DDS） 是将先进的数字处 理理论与方法引入频率合成的一项新技术， DDS 把一系列数字量形式的信号通过数 /模转换器转换成模拟量形式的信号。 它可以提供广阔的输出频率、 精细的频率分辨率和操作快速切换。 随着 电子设计和工艺技术的进步， 现在 的 DDS 器件有着 非常紧凑和很少的功率消耗。 在许多行 业中，能够准确地产生和控制各种频率 的 任意 波形已经成为了一个关键的要求。 能否提供灵活的低相位噪声 以及 可变频率 的信号 源 ，在工业以及 生物医学测试设备的应用上，方便、结构简单、成本低、高精度是设计生产的重要因素。 频率 的 产生有很多的 方法 ，设计者可以从锁相 环 回路（ PLL）中获得非常高的频率合成波形，在通过数字 — 模拟转换器的动态规划（ DAC）来生成任意波形。 而DDS 技术正在迅速的成为解决现代通信和工业应用要求的新技术，因为 DDS 芯片可以产生可编程 、 且具有较高的分辨率和精度 的任意波形。 频率合成器的技术指标有： ：频率合成器输出最低频率 f min 和最高频率 f max 之间的差值 ，也可以用频率覆盖系数 K 来表示：如果 K2～ 3 时，一般 Vco 很难满足这一输出频率范围的，实践中可以把整个频段分为几个分波段来实现，而每个分波段由一个 Vco 来满足。 也可 用相对带宽来衡量： 相对带 宽 =2（ f max－ f min） /（ f max +f min） △ f：相邻两个输出频率之间的间隔，也称为输出 间隔 频率 ，或频率基于 DDS的多波形发生器研究与设计 4 步进值。 如参考频率不变时， DDS 的 频率分辨率由相位累加器的位数 N 来决定。 N的值一般比较 大，如 32 位、 48 位、 64 位等。 在通信系统中 波段内的频率通道 应该尽可能多，以满足通信的要求，所以希望△ f 应 尽可能的小。 DDS 合成器则 能够做到很低的频率。 在 模拟直接频率合成技术、锁相频率合成技术 和 DDS 合成技术 中，输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。 DDS 的基本结构与原 理 DDS 的基本结构 DDS 合成器 包括数字器件和模拟器件两部分。 主要由相位累加器、 波形存储器ROM、数模转换器 DAC 和低通滤波器 LPF 构成。 DDS 的基本结构如图 所示。 其中 K 为频率控制字 、 fc 是 时钟频率 、 N 是 相位累加器的 控制 字长 、 D 为 存储器ROM 数据位以 及 D/A 转换器的字 节 长 度。 相位累加器在时钟 fc 的控制下以频率控制字 K 作累加 ， 输出 N 位二进制码作为波形 存储器 ROM 的地址 ， 对波形 存储器ROM 进行寻址 ， 波形 存储器 ROM 输出的幅码 S(n)经 D/A 转换器变成阶梯波 S(t） ，最后经过 低通滤波器 的滤波 后 就可以得到 所要输出的 信号波形。 最终输出的信号波形图像 取决于波形 存储器 ROM 中 所储存的码值 ， 所以 用 DDS 技术 可以 输出 任意 的波形 形状。 图 DDS 的基本结构 (l) 相位累加器 相位累加器是 我们拿 来实现 数字 线性 信号 依次 累加 的前提 ， 信号宽度 可以 从 累加器的最小值到它 的满偏值。 如图 所示 ， 相位累加器 主要由 N 位加法器以及 N位寄存器 串联组 成。 基于 DDS的多波形发生器研究与设计 5 图 相位累加器原理框图 每一次产生的 时钟脉冲 fc， 累加器会用 频率控制字 K 与寄存器 所 输出的 相位 值相加 ， 再把相加后的结果送到其寄存器的 输入端。 寄存器 会把累加器在前一次产生的 时钟作用后所产生的相位数据反馈到加法器的输入端 ， 使 得 加法器在下一个时钟的 作用下继续与频率控制字 K 进行相加。 这样 ， 相位累加器在时钟 fc 的作用下 ， 进行相位累加 ， 当 累加器累加 到 满量时就会产生一次溢出 ， 从而完成总个周期的动作。 大部分的 DDS 相位 累加器 运用 二进制 计数的方法。 累加器 运用 N 比特的二进制 ， 所有累加器所得到的最大 值是 2N。 假设 相位累加器 的初始位代表的是 0 相位 ，则相位累加器的 最大值 则可 定义为 2。 则 可得到它的周期 为 ),2( 2 KGU NNk  (21) 其中 G 代表的是 最大公约数。 当 频率 的 控制字 为 K 时 ， 则会产生 其他的 相位增量 ， 这样从 波形存储器 ROM 所 输出 来的 正弦波频率 值 也 就不同 了。 普遍来说 ， 应用 二进制 相位 累加器 并不可以使得 频率 的 步进 值 和输出 的 频率 值是 整数。 如果 设 时钟 的参考 频率为 1MHz， DDS 所得到的 累加器的 值 为 24， 则最小的频率分辨率为 ： 246  (22) (2) 输出 波存储器 输出波 存储器主要 的任务是把 相位序列 P(n)转化为 幅度序列 S(n)。 从理 论上来说，输出波 存储器 能够 存储 所有的周期性 任意 输出 波形， 在实际使用中 ， 正弦波 的产生 是最普遍的 ， 其中其用途也是最广泛的。 把 相位累加器 的最后输出值 作为波形 输出存储器 取样地址， 用来作为 波形 输出的相位一幅值 转化 ，则可在给定时间上确定输出 的波 形 抽样 值大小。 N 位输出波 存储器 ROM 相当于 使得 00～ 3600 正弦 波 信号离散成 成为 2N 个样值序列， 假如 存储器的 ROM 中 有 D 位 的 数据位，则 2N 个 抽样 的幅值以 D 位二进制数值 存储 在 波形 的存储器 内存 中，按照 不同的 地址 值 可以输出 所 对 应的相位 正弦 波 的幅值。 加法器 寄存器 频率控制字 K N位 N 位 fc 相位量化序列 N位 基于 DDS的多波形发生器研究与设计 6 相位一幅度变换 的 原理 如图 所示： 图 相位一幅度 的变换 图 (3) D/A 转换器 D/A 转换器所具有的功能 是把己经 存在 的正弦波 数字 值 转换成 为 模拟量， 正弦波 幅度量化 的 序列 S(n)经 D/A 变 换后 就转化为 包络 的正弦 阶梯波 S（ t）。 (4) 低通 带 滤波器 DDS 的理论基础是奈奎斯特采样定理，奈奎斯特定理 可 描述为：在进行模数转换时，当采样频率 fs大于最高频率 fc 的二倍时，采样之后的数字信号将保留原有信号的全部信息， 其中最小采样速率 fs 称为奈奎斯特速率。 而 DDS 则为奈奎斯特采样定理的逆过程，它 是 使用离散化后的数值重建原信号。 根据奈奎斯特采样定理，采样点的数字化编码被存储在波形 存储器 ROM 的存储单元中，每个采样点占用一个存储单元，并且每一个采样点对应 的是 唯一的相位信息，因此可以根据查表来获得。 相位累加器的输出端与波形存 储器的地址线相连，将相位信息输出到波形存储器ROM 中，对波形存储器中的波形数据以频率控制字 K 为间隔进行查找并输出。 波形数据存储器将查找出的波形数据输出到 D/A 转换器进行数模转换后获得模拟信号。 DDS 根据正弦信号产生的原理，从相位出发，以不同的相位给出不同电压幅度，最后通过 低通 滤波输出所需的频率信号。 DDS 的优缺点 DDS 的优点 (1) 频率 的变化 时间短 DDS 是 开环 的 系统， 不存在 任何 的 反馈环节 它的 这种结构 让 DDS 的频率 变化 时间极短。 实际 上， 当 DDS 的 频率控制字 变化 后，需经过 不小于 时钟 周期并 按新的 不同 相位增量累加， 最后来 实现频率的 变化。 所以 频率 变化 时间等于频率 的 控制字传输时间。 也就是时钟 的 周期。 时钟频率 的值 越高， 则变化 时间越短。 DDS 的 变化 时间 能够达到 纳微秒级，比 运 用 另外的 合成方法 所达到的时间都要短。 (2) 频率 的 分辨率高 波形 ROM 地址 址 数 据 相位量化序列 正弦幅度量化序 列 N 位 D 位 基于 DDS的多波形发生器研究与设计 7 若时钟 fc 频率不变， 则 DDS 频率 的 分辨率 通过由相位累加器 位数 N 来 决定。 只要改变相位累加器所有的 位数 N即可获得任意小的 频率 的 分辨率。 目前 来说 ，大多数 DDS 的分辨率在 1Hz 左右 ， 有的 甚至更小。 (3) 相位 值 连续 变化 改变 DDS 的 输出频率 值大小 ，实际上 变化 的是每 个时钟周 期所产生的 相位增 加值，相位 的 函数 是 一条 连续的 曲线 ，只是在 频率 改变 的瞬间 使 其 输出的频率大小产生 了突变， 从 而保持了信号相位的连续。 (4) 波形 输出 的灵活性 只要在 DDS 的 内部加上相应 的控制如频率 控制 FM， 相位 控制 PM与幅度 控制 AM，则能够 方便灵活 的实现调频、 调相 和调幅的 功能， 也能 产生 FSK、 PSK、 ASK、和 OSK等 调制 信号 波形。 另外，只要在 DDS 所拥有的 波形 的 存储器 中 存放不同 的 波形数据，就能够 实现 任意 波形的输出，如三角波，锯齿波以及 矩形波 或者 是任意波形，当 DDS所拥有的 波形 的 存储器分别 存入正弦与 余弦 的 函数表 时，即可得到 拥有正交关系的两路 波形 输出。 (5) 其他优点 因为 DDS 中 大部分 部件都 是 属于数字 集成 电路， 因此也就具有了 易于集成、 功率 低、体积 很 小、重量 较 轻、可靠性 很 高， 以及 易于程控 的优点 ，使用 起来也 相当的 灵活以及 性价比很 高 的优势。 DDS 的缺点 (1)杂散 输出 大 由于 DDS 芯片大部分是 数字 集成电路 ， 因此 不可避免的导致了 杂散。 它的主要来 源 分为三个部分， 累加器 的 相位舍入误差 所导致 的 杂散 ；幅值 量化误差 所 造成的杂散以及 DAC 不是很 理想 所导致 的 杂散。 非理想状态下的杂散以及抑制方法 DDS 杂散来源 由上一小节中我们知道 DDS 的杂散来源主要有三个方面。 由于 波形存储器 ROM的地址线的宽度 A 与相位累加器的长度 N 往往是不相等的，通常情况下 AN，这样就产生了相位 的截断误差， 另外存放 于 波形存储器 ROM 中的幅度 变化值 由于 波形存储器 ROM 中 的字长 值 有限， 则不可避免的 会带来幅度量化 的 误差。 因此 DDS 的实际输出 频谱一定 得 考虑这 其中的 两个因素。 此 外 由于 D/A 转换器 所具有的 非线性 的特基于 DDS的多波形发生器研究与设计 8 征 也会影响 其中 DDS 所 输出 的 频谱 P (n)。 在这一小节中我们 主要 来 考虑相位 的 截断误差 P (n)和幅度 变化的 误差 M (n)对 DDS 频谱 输出 所产生的 影响。 DDS 杂散 模型如下 ： 图 DDS 杂散模型 首先我们 先讨论 一下相位 的 截断误差 所带来 的影响。 假设相位累加器 中 N位 只有 其 高 A位被用来 产生 ROM 的 寻址 这 就是说 其 低 B 位(B=NA)都被 去除掉 了。 则其 截断后 的 高 A 位所 输出 来 的相位 变化 序列 p (n)为： p (n)= BNB nKnKnn 2m o d2m o d)2m o d)(()(  （ 23） 则 正弦序列 p （ n）为： )(22)( nnpNp   （ 24） 因为 相位截断 所产生的 相位误差 值 序列 ep（ n）为： ep（ n） = )(n p BnKn 2mod)(  （ 25） 由式（ 25）可知当 K= Bm2 （ m为整数） 时 误差量 值为 ep（ n） =0，当 K Bm2时其 误差 值也就 不为 0。 设 ep（ n）的周期为 k ),2( 2 KG BBk  （ 26） 可得到相位 的 误差序列 值 ep（ n）的表达式 如下 ： ep（ n） = )22s in ()s in ()c o s (222 21nmKmmBmkkkBB k  （ 27） 再存在 相位截断 的过程中 ，正弦 波的 ROM 输出 它们的 正弦序列 Sp（ n）为： Sp（ n） = )}(2222s in { nenKpNN   （ 28） 对式（ 28）运用 杨辉三角公式 ，并 在考虑 实际 的 情况时有： L 相位 累 加器 + 幅度转换ROM 表 + + )(np DAC )(nM )(nD L L1 输出 基于 DDS的多波形发生器研究与设计 9 1222 )(  NBNp ne （ 29） 式（ 28）可表示为： }22c o s {)(22}22s i n {)( nKnenKnS NpNNp   （ 210） 由式（ ）和式（ ）得到波形 的 误差 值 序列为： )()()( nSnSnp  = }22c o s {)(22 nKne NpN  （ 211） )(nSP 和 )(np 所具有的 周期仍 然 为 ),2( 2 KGu NNk 。 观察式（ 210） 能够 发现式子 的 中 间 除了一个 所产生的 正弦量 之 外还 有 一个 杂波 余弦量，这个量 值 的大小 则与 N的大小 有关 N 越大，它就越小，因此输出 的 波形 就会有杂散，但是 当 N 比较大的情况下 杂散 的 分量就会变小。 讨论完了相位截断误差所带来的影响我们 再来 讨论 一下幅 值 量化误差对 DDS 频谱 输出 所产生 的影响。 放入波形 存储器 ROM 中的幅 值 编 码都是经过量化 过 的， 所有会存在 量化误差 ，当其 量化 的 时 侯一般都是应用近似 法， 这个时候的 量化 的 转移函数 以及 量化误差 的。