长安大学数字控信号发生器设计报告.docx
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长安大学数字控信号发生器设计报告
数字控信号发生器设计报告
数字控信号发生器
摘要
信号源是电子产品测量与调试、部队设备技术保障等领域的基本电子设备。
随着科学技术的发展和测量技术的进步，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的电子技术领域的生产调试需要。
而DDS技术是一种新兴的直接数字频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点，因而在雷达及通信等领域具有广泛的应用前景。
数字控信号发生器相比传统的模拟信号发生器具有精确度高、操作快捷方便等优点，固现已广泛用于科研生产中。
以单片机STC89C52为核心的控制芯片,采用AD9850型DDS芯片,外围配合滤波器、人机交互等模块,得到频率、相位可调的的正弦激励信号源，再对产生的正弦信号做相应的变换可以得到矩形波、三角波、锯齿波等基本的常用信号，该信号源系统具有频率分辨率高、稳定性好、频率可控等特点,可实现1Hz-10MHz范围内、步进值为1Hz的信号的输出,电压峰值可从0.5V到12V步进量0.1V连续可调。
关键字：
DDS、数字控信号发生器、AD9850
Abstract
Signalsourceiselectronicproducts,testequipmentanddebugging,technicalsupportinareassuchasbasicelectronicdevices.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheprogressofmeasurementtechnology,commonsignalgeneratorhasbeenunabletomeettheincreasinglydevelopmentofelectronictechnologyinthefieldofproductiondebugging.AndDDStechnologyisanewkindofdirectdigitalfrequencysynthesistechnology,hashighfrequencyresolution,fastfrequencyswitchingspeed,continuousphaseswitch,outputsignallowphasenoise,programmableandfullydigitaleaseofintegration,andtheadvantagesofsmallvolume,lightweight,inareassuchasradarandcommunicationshasextensiveapplicationprospect.Digitalcontrolsignalgeneratorcomparedtoconventionalanalogsignalgeneratorhastheadvantagesofhighaccuracy,convenientoperation,solidhasbeenwidelyusedinscientificresearchandproduction.STC89C52MCUasthecorecontrolchip,adoptstheDDSchipAD9850type,peripherymatchingfilter,human-computerinteractionmodule,frequency,phaseadjustablesineexcitationsignalsource,accordinglyagaintoproducethesinesignaltransformationcanbesquarewave,trianglewave,sawtoothwave,etc.Thebasiccommonsignal,thesignalsourcesystemhashighfrequencyresolution,goodstability,frequencycontrol,etc,whichcanrealize1hz-10MHZrange,thestepvalueto1hzsignaloutput,voltagepeakvaluecanbefrom0.1Vto0.5Vto12Vstepperquantitycontinuouslyadjustable.
Keywords:
DDS;Digitalcontrolsignalgenerator;AD9850
经对作品实际测试过后，将题目的任务、基本要求、发挥部分总结如下
根据任务制作一个数字控的信号发生器
。
根据要求，该数控信号发生器应具有如下功能及主要指标：
一、基本要求
1、输出正弦波、矩形波、三角波和锯齿波四种波形，并能显示出波形，信号频率在1Hz～10MHz内。
2、具有频率步进调整功能，步进量为1Hz。
3、输出信号的幅值可以在0~12V之间调节
4、可设置输出信号频率和电压，并可显示设定值。
二、发挥部分
1、频率可设置在1Hz~10Mhz之间的任意一个值，最小步进为1Hz.
2、输出电压具有步进调整功能，最小步进量为0.1V。
3、能产生产生1V~12V的直流电压。
4、能产生模拟幅度调制（AM）信号，载波频率固定为8MHz，调制信号可外加也
由信号源提供，调制信号信号最大峰峰值为2V。
5、能产生模拟频率调制（FM）信号，载波频率在20K~100KHz之间可调，调制信号可外加也可由信号源提供，调制信号最大频偏，调制信号最大峰峰值为6.6V。
6、有自动记忆功能，下次上电时输出信号为上次设定值。
7、正弦信号相位可调。
目录
1、系统设计
1.1整体方案比较与论证
1.2主要部件原理及参数计算
1.2.1由AD9850产生正弦波
1.2.2型低通滤波器的仿真与计算
1.2.3正弦波转为矩形波
1.2.4矩形波转为三角波、锯齿波
1.2.5直流电压输出
1.2.5乘法器实现幅度调制（AM）
1.2.7压控振荡器实现频率调制（FM）
1.3系统软硬件设计
1.3.1硬件设计
1.3.1.1数字部分
1.3.1.2模拟部分
1.3.2软件设计
2、系统测试
2.1测设系统的组成
2.2测试方法与数据
2.2.1直流电压测试
2.2.2正弦波信号测试
2.2.3矩形波信号测试
2.2.4三角波信号测试
2.2.5锯齿波信号测设
2.2.6AM、FM信号测试
2.3测试结论
2.3.1功能实现
2.3.2误差分析
3附录
3.1参考文献
3.2系统原理图
1、系统设计
1.1整体方案比较与论证
系统的核心是产生正弦波，然后对产生的正弦波进行一系列变换得到所需要的波形。
所以首先要产生正弦波，正弦波信号发生器又称正弦波振荡器，常用正弦波振荡器如下：
RC串并联网络振荡器
RC振荡器移相式振荡器
双T型选频网络振荡器
变压器耦合三点式振荡器
LC振荡器电感反馈振荡器（哈特莱振荡器）
正弦波振荡器克拉泼振荡器
电容反馈式振荡器考贝兹振荡器
西勒振荡器
串联型晶体振荡器
石英晶体振荡器电容三点式振荡器
频率合成器并联型晶体振荡器电感三点式振荡器
泛音振荡器
RC振荡器一般只用于低频信号源只能产生1Mhz以下的正弦信号，固频率范围不够。
LC振荡器可产生几百兆赫兹的高频信号但需要连续改变电容电感的阻值难以做到且不容易控制输出频率，固不能满足频率可控的要求。
石英晶体振荡器和以石英晶体振荡器为参考频率的合成方法而构成的频率合成器可以满足频率要求，但点频式的石英晶体振荡器满足不了输出频率1Hz~10MHz的要求，只有频率合成器可以满足基本要求。
频率合成器也有很多类型，按需要选择合适的种类。
常见频率合成器有如下几种：
非相干式直接合成器
直接模拟频率合成器相干式直接合成器
直接频率合成器频率漂移抵消法合成器
直接数字频率合成器（DDS）
频率合成器脉冲控制锁相法
间接频率合成器间接合成制降频奖品法
间接合成制除法降频法（数字锁相环路法）
根据要求输出的频率范围易知，采用间接频率合成（锁相环路）和直接模拟频率合成器均均难以实现，而采用直接数字频率合成器可以完全满足要求。
直接数字频率合成法（DirectDigitalFrequencySynthests）现已得到高速发展，已有多种DDS芯片可供选用如AD公司的AD9850、AD9851、AD9852、AD9854、AD9954等。
考虑到题目的基本要求、方案的难以程度、价格等因素，我们采用STC89C52单片机控制以AD9850为核心芯片的DDS方案，具体方案如下：
A/D转换
峰值检测保持器
数控多路模拟选择开关
基准电压源
LCD显示
积分选择
LPF
DDS
微处理器
8M晶振产生固定频率载波
FM
VCO
载波调节端
输入方式选择
FM外部输入
4*4键盘
AM
乘法器
AM外部输入
输入方式选择
直流/正弦波/矩形波/
三角波/锯齿波输出
3倍放大器
射随器
数字控电位器衰减调节
数字控放大器
系统方案框图
2、主要部件原理及参数
AD9850如何利用DDS技术产生频率、相位可调的正弦波？
产生的正弦波频率成分纯净吗？
正弦波如何转为占空比可调的矩形波？
三角波、锯齿如何通过矩形波生成？
AM、FM信号产生机理是什么？
1.2.1由AD9850产生正弦波
直接数字频率合成器（DerectDigitalSynthesizer）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。
一个直接数字频率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D／A转换器和低通滤波器（LPF）组成。
DDS的组成结构如图1.2.1所示。
其中，K为频率控制字（也叫相位增量），P为相位控制字，W为波形控制字，fc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fc的控制下以步长K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的地址来对波形ROM进行寻址，波形ROM输出的D位幅度码S（n）经D／A转换变成阶梯波S（t）后，再经过低通滤波器平滑，就可以得到合成的信号波形。
由于合成的信号波形取决于波形ROM中存放的幅度码，因此，用DDS可以合成任意波形。
频率控制字K
LPF
D/A
ROM
加法器
加法器
累加器
N位S（n）S（t）
参考信号
相位控制字P波形控制字W
图1.2.1DDS的组成结构如图
DDS的输出频率为：
，其中为系统时钟频率。
当K=1时，DDS输出的最顶频率（即频率分辨率）为，而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，当K取最大值时，其最大输出频率为fc/2,因此只要N足够大，DDS就可得到很细的频率间隔。
而要改变DDS的输出频率只要改变频率控制字K就行了。
AD9850的输出频率表达式为：
，式中K为32位的二进制值，可写成：
K=++…++
其中、，…，，对应于32位码值（0或1）。
改变频率控制字K即可改变输出频率。
这里fc=40MHz，易知频率分辨率可达0.0093Hz，最高输出频率可达20MHz，由AD9850的官方手册上给的参考数据推荐输出频率不超过时钟频率的1/3，所以我们选择最高频率为10MHz，步进量为1Hz。
1.2.2型低通滤波器的仿真与计算
AD9850输出的是一个采样信号,其输出频谱遵循奈奎斯特抽样定理。
具体地说,它的输出频谱包含基本加上别名信号（图像）发生在参考时钟频率的倍数的±选定的输出频率。
以40M晶振为例，输出10M的正弦波，还会有40-10=30MHz的正弦波以及40+10=50MHz的正弦波，还有80-10=70MHz等等。
所以我们要加一个低通滤波器，低通滤波器可以分为巴特沃什滤波、切比雪夫滤波、贝赛尔滤波和椭圆滤波等。
巴特沃什低通滤波器通带和阻带都是平坦的,但是其过渡带太过平缓;切比雪夫低通滤波器的通带是等波纹抖动的,阻带是平坦的,
过渡带比巴特沃什稍陡;贝赛尔低通滤波器和切比雪夫低通刚好相反,通带平坦,阻带是等波纹抖动的;椭圆低通滤波器的通带和阻带都是抖动的,但是其过渡带下降迅速,过渡带很窄。
在该系统中,为了使输出信号频率最高10MHz时能够最低程度地降低AD9850外部
系统时钟40M的干扰,采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器,并采用5阶椭圆低通滤波。
根据系统要求,输出信号的频率可达10MHz设定其通带为10Mhz且5阶滤波具有下降速度更快的过渡带,可以有效地滤除10MHz以上的高频干扰。
用工程上常用的FilterSolution设计电路得出元器件参数。
考虑到实际的椭圆滤波器设计与理论分析是有所不同的,在此使用Multisim10.0.1经行仿真验证设计，如1.2.2图所示：
图1.2.25阶椭圆低通滤波器设计与仿真效果
1.2.3正弦波转为矩形波
由模拟电路的理论知识可知，正弦波经过电压比较器便可得到矩形波，这里我们可以通过调整比较器一端的电压与输入的正弦信号进行比较使之产生占空比可调的矩形波。
AD9850内置有一个高速比较器，可将经低通滤波后的正弦信号到比较器一端，比较器令一端接数字可调的电位器。
结构图如1.2.3所示：
LPF
矩形波输出
基准电源
数字控电位器
微处理器
AD9850
比较器的同相输入端+
比较器的反相输入端-
1.2.4矩形波转为三角波、锯齿波
由模拟电路知识可以知道通过对方波积分可以获得三角波，改变矩形波的占空比使放电时间远远大于（或小于）充电时间可以获得锯齿波。
由于频率跨越范围比较广，所以系统采用多路积分电路，根据频率自动选择相应的积分的电路。
结构图如1.2.4所示：
三角波/锯齿波输出
矩形波输出
多路积分选择电路
微处理器
图1.2.4矩形波、三角波、锯齿波转换框图
1.2.5直流电压输出
由基准电压经数控放大、数控电位器衰减后输出，结构图如图1.2.5所示:
直流电压输出
数控电位器衰减
数控放大器
微处理器
基准电压
1.2.5直流电压输出结构图
1.2.6乘法器实现幅度调制（AM）
（1）振幅调制的分类：
调制可分为普通调幅（AM），双边带调幅（DSB-AM），单边带调幅（SSB-AM）与残留边带调幅（VSB-AM）几种不同方式。
（2）普通调幅信号的波形及表达式
设载波uc（t）的表达式和调制信号uΩ（t）的表达式分别为：
图1.2.6.1a是调制信号b是载波信号c已调波信号
Ma称为调幅系数，Umax表示调幅波包络的最大值，Umin表示调幅波包络的最小值。
Ma表明载波振幅受调制控制的程度，一般要求0≤Ma≤1，以便调幅波的包络能正确地表现出调制信号的变化。
Ma>1的情况称为过调制,图1.2.6.2所示为不同Ma时的已调波波形。
图1.2.6.2不同Ma时的已调波波形
（3）普通调幅信号的产生：
普通调幅信号的产生可将调制信号与直流相加，再与载波信号相乘，即可实现普通调幅。
AM信号产生结构图如图1.2.6.3所示：
调制信号输入
乘法器
加法器
AM输出
8MHz固定频率载波
直流偏压
图1.2.6.3AM信号产生结构图
1.2.7压控振荡器实现频率调制（FM）
1.2.7.1、调频定义及数学表达式：
载波信号的频率随调制信号的瞬时频率线性的变法,载波的幅度不变，这叫作频率调制。
数学表达式:
设调制信号为:
载波信号为:
调频信号为:
M=f/F,其中f为最大频偏，Ｆ为载波频率，由卡森公式得到调频带宽Ｂ＝２（f＋Ｆ）
1.2.7.2、调频信号产生方式：
产生调频信号的方法主要有两种：
直接调频和间接调频。
直接调频是用调制信接控制载波的瞬时频率，产生调频信号。
间接调频则是先将调制信号进行积分，再对载波进行调相，获得调频信号。
1.2.7.3直接调频电路
直接调频的基本原理是利用调制信号直接控制振荡器的振荡频率，使其不失真地反映调制信号变化规律。
（a）改变振荡回路的元件参数实现调频
调频电路中常用的可控电容元件有变容二极管和电抗管电路。
常用的可控电感元件是具有铁氧体磁芯的电感线圈或电抗管电路，而可控电阻元件有PIN二极管和场效应管。
若将这样的可控参数元件或电路直接代替振荡器振荡回路的某一元件（例如L或C）或者直接并接在振荡回路两端，这样振荡频率就会与可控参数元件的数值有关，用调制信号去控制这样元件的参数值，就能够实现直接调频。
（b）变容二极管直接调频电路
变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的一种二极管。
它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。
不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现一个较大的结电容。
这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。
正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会明显地随调制电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。
1.2.7.4间接调频
实现调相的方法通常有三类：
一类是可变移相法调相；第二类是向量合成的移相电路；第三类是脉冲调相电路。
因为调相电路输入的载波振荡信号可采用频率稳定度很高的晶体振荡器，所以采用调相电路实现间接调频，可以提高调频电路中心频率的稳定度。
在实际应用中，间接调频是一种应用较为广泛的方式。
1.2.7.5系统FM信号的产生
系统采用压控振荡器调频，载波频率可通过外接滑动变阻器调节，结构图如1.2.7所示：
FM输出
压控振荡器
调制信号输入
载频调节端
图1.2.7压控振荡器产生FM
1.3系统软硬件设计
本系统包括单片机、模拟以及外设三部分。
单片机使用STC89C52，主要起控制作用。
模拟电路主要包括稳压电路、放大电路、积分电路、模拟多路开关。
外设包括用于显示的液晶、用于人机交互的键盘、AD转换器、数字控放大器与数控电位器衰减等。
1.3.1.1数字部分
1、单片机与AD9850连接
系统采用STC89C52单片机来控制芯片AD9850的运行，为了提高系统的运行速度，DDS与单片机之间采用并行连接的方式进行连接。
DDS部分电路原理图如1.3.1.1.1所示。
图1.3.1.1.1单片机与AD9850连接
2、数控放大器与数控衰减电位器
信号的频率可以通过对AD9850控制来改变，幅值的改变只能通过后接的放大与衰减调整，再通过AD转换器获得输出信号的幅值返回给单片机不断反馈比较。
电路图如
1.3．1.1.2所示：
图1.3.1.1.2数控放大器与数控衰减电位器
3、峰值保持电路与AD转换电路
峰值保持电路时是实现幅度可控的关键，通过数控放大器与数控电位器后的信号可能
仍与设定的幅值存在误差，所以要通过峰值保持电路和AD转换电路来获得输出信号的幅值，微处理器获得反馈数据后调整数控放大器与数控电位器，最终使得输出信号幅值与设定值相同或比较接近。
峰值保持电路与AD转换电路如图1.3.1.1.3所示：
图1.3.1.1.3峰值保持电路与AD转换电路
3、LCD输出与人机交互接口
本系统中的数字输入设置电路采用4*4矩阵键盘。
由于LCD具有显示内容多，电路结构简单，占用单片机资源少等优点，本系统采用12864型LCD液晶显示屏来显示信号的类型、频率大小和正弦波的峰一峰值，图1.3.1.1.4所示是键盘输入及LCD接口电路图。
同样，考虑到STC89C52单片机的IO引脚资源有限，LCD接口连接到STC89S52单片机的P0端口，以实现端口扩展和复用，但键盘检测需要不断的扫描IO口不能被占用固连接到P1口上。
图1.3.1.1.4键盘输入及LCD接口电路图
1.3.1.2模拟部分
设计总图见附图，下面重点介绍三个重要环节
1.3.1.2.1、型低通滤波器的设计
以FilterSolution软件为设计工具，再通过Multisim10.0.1仿真得到一组L、C、R参数，经反复尝试得到如图1.3.1.2.1滤波网路，经测低通滤波效果能达到设计要求。
图1.3.1.2.1、型低通滤波器
1.3.1.2.2、多路积分选择
三角波是常用信号之一，本系统采用RC积分电路将方波信号转换成三角波。
由于信号频率很宽（低频达1Hz以下，高频达10MHz以上），为了完成不同频段的线性积分，需要不同的积分电容（10pF、100pF、1nF、10nF、100nF、1uF、10uF、100uF）。
基于数控和自动切换的需要，本系统采用如图1.3.1.2.2所示的CD74HC40518路数据选择器。
图1.3.1.2.2多路积分选择
1.3.1.2.3、基准电压产生
AD转换器、矩形波产生电路以及直流输出都需要基准电压，基准电压要求必须很稳定否则会产生误差。
综合考虑使用稳压效果比较好的MC1403稳压器产生2.5V的基准电压，再通过放大产生5V的基准电压，电路如图1.3.1.2.3所示：
图1.3.1.2.3稳压电路产生基准电压
1.3.2软件设计
软件设计主要完成单片机的初始化工作以及按键检测、液晶显示、反馈控制等环节，具体流程图1.3.2所示：
键盘扫描
开始
选择波形
参数设置
对系统初始化
功能执行
确认
相位
幅值
频率
FM
AM
锯齿波
三角波
矩形波
正弦波
直流电压
占空比
调制信号输入方式
图1.3.2
2.系统测试
2.1测试系统的组成
考虑到系统产生的信号最大频率能达到10MHz，为了避免仪器自身频带的限制造成的高频段的衰减，选择使用带宽为200MHz的数字示波器和对应的探头进行系统的测试。
拟定测试系统组成框图如2.1.1图所示，数字示波器用来观察数控信号发生器发生的正弦波、矩形波、三角波、锯齿波、AM，FM信号。
数字示波器
数控信号发生器
50
仪器：
TektronixDPO20
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