信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器早在二十年代.docx
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信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器早在二十年代
1绪论
信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器。
早在二十年代，当电子设备刚开始出现时，它就出现了。
随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器。
同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。
由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单（与数字仪器、示波器等相比），因此发展速度较慢。
直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。
自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。
各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。
1．1频率合成技术的发展
频率源是现代电子系统的重要组成部分,在通信、雷达、导航、电子对抗等许多领域中被广泛使用，随着电子技术的不断发展，各类电子系统对频率源的要求越来越高，对频率分辨率、频谱纯度、体积及功耗等多种指标提出了更高的要求,传统的频率源已无法将其满足[1]。
频率合成是指从一个高稳定的参考频率，经过各种技术处理，生成一系列稳定的频率输出。
频率合成技术从20世纪30年代末开始建立，迄今为止，已有近70年的历史，频率合成是时频测控技术中的重要技术之一[2]。
现代的战争从根本上是敌我双方高科技的较量，电子战在现代战争中已是重要的组成部分。
谁的武器中的电子系统体积越小，集成度越高，精度越好，抗干扰性越好，谁取胜的可能性就越大。
其中电子系统的核心部分——频率合成器更加成为整个电子战争的关键所在。
频率合成技术有直接式频率合成（第一代）和锁相式频率合成（第二代）等几种。
而继直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术:
直接数字频率合成（DDS）,具有输出频率转换时间（可达纳秒量级）短、频率分辨率高（可达微赫兹级）、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、体积小、实施调制灵活、性价比高、生产重复性好等优点,因此它可以满足现代电子系统对频率源各指标要求。
近年来,随着VLSI、FPGA、CPLD等技术的出现以及对DDS理论的进一步探讨,使DDS技术得到飞速发展,目前已广泛应用于各类电子设备中。
1.2频率合成技术的分类
基本的频率合成技术有直接式频率合成（DS）和间接式频率合成（锁相式频率合成（PLL））[3]。
早期的频率合成采用直接的方式，是由一个或多个晶体振荡器经过分频、倍频、混频、滤波得到所需要的频率。
它又包括直接式相关频率合成器和直接式非相关频率合成器。
直接式相关频率合成器只有一个频率参考源，合成器所需要的频率由这个参考源经过分频、倍频、混频后产生。
这样的方式产生的各个频率的精度和稳定度与参考频率源一致。
直接式非相关频率合成器采用多个频率参考源，这样产生多个频率精度和稳定度都相同的频率源是十分困难的，所以直接相关式应用较多。
锁相式频率合成又称为间接式频率合成。
PLL基本由四部分组成：
高稳定晶振参考源、鉴相器、低通滤波器和压控振荡器[4]。
输出频带宽可达上千兆赫，频率分辨率到赫兹量级，但是由于非线性器件引入的杂波成分较多而且很复杂，所以需要大量的滤波器加以滤除。
PLL结构简单、易于集成、输出频带宽、频谱纯度好，但锁相环本身是一个闭环的反馈系统，所以鉴相频率（频率分辨率）与频率转换时间的矛盾难以解决。
目前，又出现了多环技术、自适应环路带宽法、小数分频技术和预调VCO法等多种改进技术。
DDS（DirectDigitalSynthesis）是20世纪70年代发展起来的一种新的频率合成法，它将先进的数字处理技术和方法引入信号合成领域，是近年来随着数字集成电路和计算机的发展而出现的一种新的频率合成技术。
它是从相位的概念出发进行频率合成，采用数字取样技术，将参考信号的频率、相位、幅度等参数转变为一组取样函数,然后直接运算出所需要的频率信号。
目前DDS技术已经成为频率合成技术的首选方案之一。
在通信、电子、雷达、制导、仪器仪表等领域应用广泛，各种基于DDS技术的集成芯片也层出不穷。
DDS的工作原理实质上是以参考频率源（系统时钟）对相位进行等可控间隔的采样。
利用单片机寻址相应的频率控制字，输入DDS芯片内核，通过改变调用ROM表中频率控制字的地址，来实现不同频率输出的目的。
同时在DDS芯片输出端增加一个低通滤波器，可以达到抑制杂散的效果，最终得到所要求输出的波形。
该技术把一系列全数字形式的信号DAC转换成模拟形式的信号的合成技术。
直接频率合成器主要用于数字信号源，上下变频器以及数字锁相环等电路中。
它采用了数字采样存储技术，具有相位连续变化、易实现对输出信号的多种调制等优点。
DDS芯片由相位累加器、正弦ROM表、D/A转换器等组成。
DDS技术的优点是：
相对带宽很宽，频率转换时间极短（ns级），频率分辨率很高（可达uHz级），全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控[5]。
DDS以其有别于其他频率合成技术的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的佼佼者。
1.3DDS技术
目前DDS技术已经成为频率合成技术的首选方案之一，在通信、电子、雷达、制导、仪器仪表等领域应用广泛，各种基于DDS技术的集成芯片也层出不穷。
在这里我们选用AD公司生产的芯片AD9852。
DDS技术是基于耐奎斯特采样定理的，他的主要原理是将从波形中采样到的离散值通过DAC转换成连续信号[6]。
DDS芯片能够与计算机紧密结合在一起，充分发挥软件的作用。
在实际应用中，可以采用单片机来代替计算机对DDS芯片进行控制，实现合成频率的输出。
DDS的结构有很多种，其基本的电路原理可用图1-1来表示[7]。
DDS在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。
实现DDS的方案很多，主要有采用高性能DDS单片电路的解决方案，如Nalog公司的AD98系列，Ｑualcomm公司推出了DDS系列Q2220，Q2230，Q2334等。
还有自行设计的基于FPGA芯片的解决方案。
图1-1DDS的基本原理
1.3.1DDS技术的特点
新一代的直接数字频率合成器采用全数字的方式实现频率合成，与传统的频率合成技术相比，具有以下特点：
（1）频率转换快。
直接数字频率合成是一个开环系统，无任何反馈环节，其频率转换时间主要由频率控制字状态改变所需的时间及各电路的延时时间所决定，转换时间很短。
（2）频率分辨率高、频点数多。
DDS输出频率的分辨率和随机位累加器的位数的增长而呈指数增长。
分辨率高达uHz。
（3）相位连续。
DDS在改变频率时只需改变频率控制字（即累加器累加步长），而不需改变原有的累加值，故改变频率时相位是连续的。
（4）相位噪声小。
DDS的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声。
（5）控制容易、稳定可靠。
2系统总体设计
2.1方案论证与选择
方案一：
采用传统的直接频率合成器。
这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所以方法中最高的工作频率。
但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
最重要的是，这种方法只能实现正弦波，不能实现方波。
方案二：
基于CPLD的直接数字频率合成信号发生器的设计。
先由CPLD芯片根据DDS需要的输出频率计算出频率控制字，然后附上DDS寄存器地址输出到DDS芯片。
方案三：
基于DDS的信号发生器。
它以参考频率源（系统时钟）对相位进行等可控间隔的采样。
利用单片机寻址相应的频率控制字，输入DDS芯片内核，通过改变调用ROM表中频率控制字的地址，来实现不同频率输出的目的。
由于单片机的控制我们比较熟悉，并且结合DDS芯片各种性能指标特点，我选择第三种方案来设计。
2.2方案设计总思想
本设计中所采用的方案设计思想（如图2-1所示）：
在设计的系统中，采用比较通用的51系列单片机AT89C51作为系统的控制处理单元。
利用键盘输入和LED显示频率值。
单片机的P0口作为与AD9852进行通讯的口，P1口作为键盘的输入，P2口作为LED的段选驱动输出，P3口其中三条线作为138译码器的输入以输出驱动位选，其它作为与AD9852的通信口。
P0口作为一个真正的双向口（数据/地址复用口）与DDS芯片AD9852进行通信，通过74LS373对地址进行锁存。
当单片机的选通信号ALE端输出高电平时，单片机输出地址信号并存入74LS373；当ALE端没有选通时，单片机输出的是数据信号。
不管是输出地址还是数据信号，都要通过74LVT245B作为电平转换器件与AD9852进行连接。
键盘的输入通过P1口来实现，使用P1口之前必须先向其内部锁存器写入“1”，使场效应管截止，这样才能当作输入口来使用。
P2口在设计中作为输出口与数码管直接相连，作为段选码并行驱动8个数码管。
但是，在设计中我们必须要考虑到数码管能否被译码器全部驱动的问题。
实验中证明，直接驱动只能点亮一个数码管中的一段。
原因就在于段选端提供了足够大的电流，而位选端却不能全部接受，就像是在用大管子注水而只用小管子接水一样，因此电流就会被钳制在位选部分。
如此，我们采取这样的措施：
在位选端加一个三极管放大电路，以增大位选端电流的接受能力。
同时，因为译码器输出的是低电平有效，三极管与其基极直接相连根本不能让三极管正常工作，所以必须在三极管的输出端加一个反向器以使三极管工作。
由于P0，P1，P2口都被占用，但还需要一些端口来进行通信，多功能口P3口就只能作为I/O口来使用。
P3.0，P3.1口作为键盘的列线进行实时扫描；P3.2，P3.3，P3.4口作为38译码器的A，B，C输入端使用，译码器得输出经过三极管推动后作为数码管的位驱动。
（因为P3口的数目有限，驱动八个数码管不能直接与位选端相连，所以采用138译码器来实现）；P3.5，P3.6，P3.7口留作与AD9852的控制引脚相连。
由于AD9852使用CMOS工艺，供电电压是+3.3Ｖ，所以存在TTL电路和CMOS电路的电平转换问题。
我们采用PHILIPS公司的74LVT245B作为+5V电源下的逻辑电平到＋3.3V逻辑电平的转换器件。
通过对AD9852内部寄存器工作模式等初始化后，单片机将频率控制字和相位控制字等数据送入AD9852内部寄存器，经过AD9852内部处理后，通过一个低通滤波器输出正弦波信号，将这个正弦波信号再送回AD9852内部的高速比较器整形后就会得到所需要的方波信号。
图2-1系统框图
DDS是采用数字化技术，最终合成信号是经D/A转换后得到的。
其频谱含有很丰富的高次频谱分量，必须将它们滤除，才能得到频谱纯净的正弦波输出，因此要求滤波器的衰减特性要陡直，延迟时间要短。
这里采用七阶椭圆函数低通滤波器。
如图2-2所示：
图2-2七阶椭圆函数低通滤波器
DDS芯片输出端IOUT1接七阶椭圆函数低通滤波器后，就能得到正弦波。
再通过内部高速比较器的反向输入VINN和内部高速比较器的正向输入VINP端将正弦波的信号输入到DDS芯片内部的高速比较器后，就可以从VOUT端得到所需要的方波信号。
3单元电路设计
3.1单片机的控制部分
3.1.1单片机产品的比较
MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在，MCS-51内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品，比如目前流行的89S51、89C51等。
本文介绍了利用单片机AT89C51控制DDS芯片的频率合成法，采用了DDS芯片AD9852产生单片机控制的DDS实用电路。
3.1.2AT89C51芯片介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪存组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.1.3AT89C51主要特性
●与MCS-51兼容
●4K字节可编程闪烁存储器
●寿命：
1000写/擦循环
●数据保留时间：
10年
●128
8位内部RAM
●32条可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●6个中断源
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡器和时钟电路
3.1.4AT89C51管脚说明
AT89C51逻辑引脚图见3-1。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电路。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0口能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在这里，P0口作为地址/数据复用口来使用，通过74LS373传送寄存器地址和所需要的数据值。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电路。
P1口管脚写入”1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
图3-1AT89C51的逻辑引脚图
在设计中，P1口作为2×8键盘的行输入端使用，但在之前必须向P1口内部锁存器写“1”。
这样才能保证它作为输入来使用。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电路，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
因此设计中P2口作为段码可以直接驱动LED数码管。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电路。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）；P3.4T0（定时/计数器0外部输入）
P3.1TXD（串行输出口）；P3.5T1（定时/计数器1外部输入）
P3.2/INT0（外部中断0）；P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.3/INT1（外部中断1）；P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
但在这里，因为其他资源都被用到，就只用了它的第一功能——作为I/O口来使用。
在软件编写指令时，直接使用P3口来区别。
但是这样也浪费了一些中断资源，不过好在键盘扫描、键盘处理时间不长可以通过延时程序来实现。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR的8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
XTAL1：
内部反相放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反相振荡器的输出。
3.1.5振荡器特性
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出端。
该反向放大器可以配置为
图3-2内部时钟方式
片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。
本设计中就采用了这样的方式如图3-2，电容值一般采用30pF，两端电容具有微调的作用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.2键盘显示单元
3.2.1键盘输入
在单片机应用系统中，为了控制其运行状态，需要向系统输入一些命令或数据，这里就需要用到键盘。
按键结构有很多，如矩阵式键盘、独立式键盘。
独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。
每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态（图3-4）。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但是每一个按键占用一根I/O口线，在按键数量较多的时候，I/O口线浪费很大。
所以在按键数量不多时常采用这种按键电路。
而矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端（图3-3）。
很明显，在按键数量较多的场合，矩阵式键盘和独立式键盘相比，要节省很多的I/O口线。
在图3-3中，上拉电阻保证了按键闭合时，I/O口线有确定的高电平。
矩阵式键盘的工作原理是：
先将Y0设置为低电平，再对这一列进行扫描。
当有键按下时，就对应输出低电平，再把Y1设置为低电平，重复以上动作就可以实现扫描。
本设计方案中所采用的是2×8键盘扫描输入方式。
它只占用应用系统的一个I/O口和两条I/O口线（RXT和TXD），这样的话就不用占用太多的I/O口线，也可以达到对键盘进行实时扫描的目的。
2×8键盘的基本工作原理是：
当RXT为高电平、TXD
图3-3矩阵式键盘图3-4独立式键盘
为低电平的时候，只有0到7号键是有效的，8到F键是否按下，不会改变输出状态。
当0到7号键有键按下的时候，就将对应该键的低电平送入单片机以改变其状态；当RXT为低电平、TXD为高电平的时候，只有8到F号键是有效的，0到7键是否按下，不会改变输出状态。
当8到F号键有键按下的时候，就将对应该键的低电平送入单片机以改变其状态。
当所设定的功能键或数字键被按下的时候，单片机应完成该键所设定的功能，因此，键盘输入信息是与软件结构紧密相关的。
3.2.2LED显示单元
单片机应用系统中，常用的显示器件有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。
LCD显示器的驱动比LED显示器多一个双频驱动。
在本设计中，我使用的是单片机应用系统中普遍使用的LED显示器。
LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。
表3-1给出了七段LED段选码
表3-17段LED的段选码
显示字符
共阴极段选码
共阳极段选码
0
3FH
C0H
1
06H
F9H
2
5BH
A4H
3
4FH
B0H
4
66H
99H
5
6DH
92H
6
7DH
82H
7
07H
F8H
8
7FH
80H
9
6FH
90H
LED静态显示方式
静态显示即当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定的导通或截止，并且显示器的各位可以同时显示。
静态显示的时侯，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。
LED显示器工作在静态显示方式下，共阴极或共阳极连接在一起接地或接+5V，每位的段选线分别与一个8位并行口相连。
如图3-5所示
图3-5四位LED静态显示
N位静态显示器要求有N*8根I/O口线，占用I/O口线资源较多，所以在位数较多时往往采用动态显示方式。
LED动态显示方式
动态显示即一位一位地轮流点亮显示器的各个位（即扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。
显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间有关。
在多位LED显示的时候，为了简化电路，降低成本，通常将所有位的段选线并联在一起，由一个I/O口控制，形成段选线的多路复用。
而各位的共阴极或共阳极点分别由相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。
图3-6四位LED动态显示电路
8位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。
其中一个控制段选码，另一个控制位选码。
图3-6是四位LED动态显示电路。
本设计中，采用的是8位LED数码管显示。
通过AT89C51单片机的P2口并行控制输出七段译码显示器的段选信号，段选码输出的是要显示的相应字符的电平。
因此，在每一个瞬间，8位LED可能同时显示同一个字符。
由于条件限制，单片机接口有限，所以通过P3口这个多功能口其中的三个引脚驱动74LS138译码器产生一个有效信号，即位选信号来选择哪一位被点亮。
如此轮流，使每位显示该位应显示的字符，并延迟一段时间，以造成视觉暂留的效果[13]。
这样就不会出现同时显示一个字符。
3.3单片机与AD9852的接口部分
3.3.174LVT245B介绍
AT89C51一般采用的是+5V供电电压，由于AD9852使用了CMOS工艺，供电电压是+3.3V，所以存在TTL电路和CMOS电路的电平转换问题。
这里我们把74LVT245B作为+5V电源下的逻辑电平到+3.3V逻辑电平的转换器件。
图3-7是74LVT245B的逻辑引脚图。
图3-774LVT245B逻辑引脚
74LVT245B是三态输出的双向总线收发器，供电电压为+3.3V，延迟时间为2.4ns。
74LVT245B引脚描述见表3-2，3-3。
表3-274LVT245B引脚描述
引脚号
引脚标志
名称和功能
1
DIR
方向控制输入端
2,3,4,5,6,7,8,9
A0-A7
数据输入/输出端（A面）
11,12,13,14,15,16,17,18
B0-B7
数据输入/输出端（B面）
19
OE
允许输出使能端（低电平有效）
10
GND
接地端
20
VCC
电源端
表3-374LVT245B功能表
输入
输入/输出
/OE
DIR
An
Bn
L
L
An=Bn
输入
L
H
输入
Bn=An
/OE
DIR
An
Bn
H
X
Z
Z
L：
表示低电平；H：
表示高电平；X：
表示任意；Z：
表示高阻态
3.3.2单片机与AD9852的接口部分
如图3-8所示为AT89C52与AD9852的接口电路。
P0口作为与AD9852的通信口，是数据/地址的复用口。
一方面通过电平转换器向其传递数据，一方面通过地址锁存器向AD9852传送地址。
单片机的读写控制端通过74LVT245B分别与AD9852的WRB、RDB端相连，T1端与IOUDCLK端相连。
图3-8单片机与AD9852接口电路
3.4DDS处理单元
3.4.1DDS的基本原理
DDS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
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