正弦信号发生器的设计.docx

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正弦信号发生器的设计

本科毕业论文（设计）

题目：

正弦信号发生器的设计

姓名：

学号：

20081003622

院（系）：

机电学院专业：

电子信息工程

指导教师：

职称：

副教授

评阅教师：

职称：

讲师

2012年6月

本科生毕业论文（设计）原创性声明

本人以信誉声明：

所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业论文作者（签字）：

签字日期年月日

摘要

信号发生器是科研、教学实验及各种电子测量技术中很重要的一种信号源，随着科学技术的迅速发展，对信号源的要求也越来越高：

要求信号源的频率稳定度、准确度及分辨率要高、以适应各种高精度的测量。

为了满足这种高的要求，各国都在研制一些频率合成信号源，这种信号源一般都是由一个高稳定度和高准确度的标准参考频率源，采用锁相技术产生千百万个具有同一稳定度和准确度的频率信号源，为了达到高的分辨率往往要采用多个锁相环和小数分频技术，因此使电路复杂、设备体积圈套、成本较高，传统的频率合成器由于采用倍频、分频、混频和滤波环节，使频率合成技术（DDS），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、便于集成等突出优点、成为现代频率合成技术中的佼佼者，得到越来越广泛的应用，成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。

目前使用波形发生器大部分是利用分立元件组成的起体积大，可靠性差，准确度低。

本设计介绍一种以AT89S52、AD9851为核心器件，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发完成的DDS正弦信号发生器。

AD9851是一款专业级的正弦信号产生器件。

它的特点是电路整体结构简单，输出信号波形好，控制简单，而且易于实现程控。

此次设计的信号发生器的输出频率范围为：

1KHZ~100HZ，同时具有频率设置功能，步长为100HZ，且输出电压幅度在50欧姆负载上电压峰峰值不小于1伏。

我的毕业设计的核心任务是在一定的硬件基础上进行软件的编写。

包括后期的整机测试与调试，并且在完成调试之后，进行了PCB板的设计并完成PCB板的焊接调试。

我在毕业设计的论文中用第二、三、四章分别阐述了此次设计的原理、硬件电路设计以及软件设计，并在第五章对此信号发生器进行了测试分析。

关键词：

单片机，AD9851，DDS

Abstract

Signalgeneratorisaresearch,teachingexperimentsandavarietyofelectronicmeasurementtechnologyisveryimportantasasignalsource,withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,demandsonthesignalsourcemoreandmorerequirethesignalsourcefrequencystability,higheraccuracyandresolutiontosuitavarietyofhigh-precisionmeasurements,inordertomeetthishighdemand,allcountriesinthedevelopmentofanumberoffrequencysynthesizedsignalsource,suchsourcesarenormallyahighstabilityandhighaccuracydegreeofstandardreferencefrequencysource,usingphase-lockedwiththesametechnologiesusedtoproducemillionsofadegreeofstabilityandaccuratefrequencysignalsource,inordertoachievehighresolutionandoftenusingmultiplephase-lockedloopfractional-Ntechnology,thecircuitcomplexequipmenttrapvolume,highcost,thetraditionalfrequencysynthesizerusedasmultiplier,divider,mixerandfilterlinks,sothatfrequencysynthesis（DDS）,andcomparedtotheconventionalfrequencysynthesis,DDShasafrequencyresolutionhighfrequencychangesinspeed,theoutputphasecontinuous,lowphasenoise,programmableandfullydigital,easyintegrationandotheradvantages,becomeamodernleaderinsynthesizertechnology,getmoreandmorewidelyused,alargenumberofelectronicsystemsanindispensablecomponent.

ThisarticledescribesakindofAT89S52andAD9851asthecorecomponentoftheDDSsinewavegenerator.AD9851isahighlyprofessionalsinesignalgenerationdevice.Itfeatures,asdescribedabove,thecircuitstructureissimple,theoutputsignalwaveformisgood,controlissimpleandeasytoimplementprogram-controlled.AT89S52andAD9851willbedetailedinthebodyofthenote.

Thecoremissionofmygraduationprojectiswritingthesoftwareonthebaseofthehardware.Includingthelatterpartofthewholetestinganddebugging,andafterthecompletionofthedebuggingPCBboarddesignandcompletetheweldingofthePCBboarddebugging

Inmygraduatedesignthesis,Idescribedtheprincipleofthedesignofhardwarecircuitandsoftwaredesigninthethirdandforthchapter。

Thefifthchapterdescribethetestdataobtainedfromthesignalgenerator.

Keywords：

DDS,MCU,AD9851

第一章绪论

§1.1课题背景

DDS技术目前已成为频率合成技术发展的主流方向，它高度的集成性，对于简化电子系统的设计方案，降低硬件的复杂程度，提高系统的整机性能意义重大。

用这种方法产生线性调频信号及其它复杂波形信号的技术日益受到重视，并得到广泛的应用。

近年来，随着直接数字频率合成技术（directdigitalfrequencysynthesis，简称DDS）的发展，基于DDS技术的合成信号发生器，在正弦信号源的设计与使用中日益广泛．它与以往的射频信号源、锁相信号源和模拟频率合成信号源相比较，其频率分辨率高，指定频率的重复性好，而且易于程序控制．DDS技术的原理主要是通过相位与幅度的对应关系实现的，由于不同的控制字对应相位累加器中不同的相位累加速度，用此速度从正弦幅值表中进行查询，获得指定的幅度序列，最后通过数模转换输出。

§1.2研究现状

在频率合成（FS,FrequencySynthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-NPLLSynthesis）等，直接数字合成（DirectDigitalSynthesis－DDS）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。

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μHz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。

由于DDS的诸多优点，它得到了非常广泛的应用。

在数字调制方面，它可以用来实现FSK，QPSK,8PSK等调制。

在雷达频率源方面，它可以实现多点，窄步长，高相噪的频率源以及线性调频频率源。

在扩频通信方面，可以实现CDMA/FH工作方式以及任意规律的调频模式。

所以，研究DDS在各个领域的应用以及实现是一个非常有意义和前途的课题。

下文举出了DDS的几个具体的应用：

①DDS作为分频器在PLL中的应用

PLL电路对输入信号相当于一个窄带跟踪滤波器，因此将DDS输出信号作为参考信号驱动一个PLL后，不但可以大大抑制杂散信号，还可以方便地将频率信号倍频提高，但采取该方法会使输出信号的相位噪声恶化。

而如果在环路中将压控振荡器的输出信号作为DDS的输入信号，DDS在电路中就成为一个分辨率极高的分频器，不仅能利用环路实现杂散抑制，同时也可使输出信号的相位噪声降低，而且由于不必采用高频晶体振荡器，系统成本也会大大降低，并很容易使整个电路采用混合电路工艺进行系统集成[3]。

②宽带跳频频率合成器设计方案

采用DDS+DS组合方式，可实现宽带DDS频率合成器。

它由晶体振荡器、控制电路、DDS、倍频器、带通滤波器、功率放大器等电路组成，DDS可选用AD9854作为频率合成器核心器件，它的系统时钟高达300MHz，频率分辨率为1mHz，100M并口编程速率以及较高杂散抑制度。

AD9854的优良性能使超高速频率合成器实现成为可能。

晶体振荡器输出经AD9854内置的倍频器七倍频后，DDS以七倍晶体振荡频率作为系统时钟。

为了简化电路、提高频率切换时间，DDS输出信号经过一个带通滤波器后，驱动九倍频器链作为频率合成器的输出。

带通滤波器BPF1后插入的放大器的作用是增加DDS输出信号幅度，提高倍频器的效率，同时在两级倍频器后加入两个五阶通滤波器来抑制带外杂散，频率合成器输出信号f0为9×Fdds。

③DDS在雷达和电子对抗中的应用

频率捷变雷达是指脉冲载频（脉冲内，脉冲间或脉冲组间）快速有规律或随机变化的雷达，它比普通雷达具有更强的抗干扰能力，并有增加雷达探测距离、提高跟踪精度、改善角度和距离分辨力以及避免雷达之间相互干扰等优点，近年来得到了广泛重视。

频率捷变雷达包括两大类：

相参频率捷变雷达和非相参频率捷变雷达。

在频率捷变雷达中，由于每次发射出去的脉冲载频在快速变化，为了使混频后的信号为一个固定中频，就要求有一个随磁控管频率快速变化的本振源，由于DDS具有精度高、转换快、稳定性好等优点，使得本振源具有较高的稳定性和跟踪精度。

可以广泛应用于相参频率捷变雷达、非相参频率捷变雷达和自适应频率捷变雷达系统中。

      在电子对抗中，对雷达施放有源干扰，是对雷达进行考验的主要手段之一，这就要求现代干扰机必须性能优良，不断地提高自动化和自适应能力，来达到最佳的目的。

将DS应用到干扰机中，可以有效地提高其干扰样式的控制能力，使干扰机具有足够快的引导时间等优点。

§1.3发展方向

近年来随着GSM、GPRS、3G、B1ueTooth乃至己经提出标准的4G等移动通信以及LMDS、无线本地环路等无线接入的发展，同时加上合成孔径雷达、多普勒冲雷达等现代军事、国防、航空航天等在科技上的不断创新与进步，世界各国非常重视频率合成器的发展。

所有的这些社会需求以及微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身的不断进步都极大刺激了频率合成器技术的发展。

可以预料，随着低价格、高时钟频率、高性能的新一代DDS芯片的问世，DDS的应用前景将不可估量！

§1.4毕业设计内容

本次毕业设计内容为设计一个正弦信号发生器。

发生器的参数要求为：

输出频率范围：

1Khz~100hz；

具有频率调整功能，调整步长为100hz；

输出电压幅度：

在50欧姆负载上电压峰峰值不小于1伏。

并要求以单片机AT89S52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，完成一个正弦信号发生器。

第二章系统原理分析

§2.1正弦信号发生器的基本原理

根据系统的功能要求，控制系统采用AT89S52单片机，正弦信号发生模块采用AD9851。

AD9851是专业的正弦信号发生器件。

通过单片机对AD9851的控制可以输出不同频率的正弦波。

并且可以通过LCD显示频率值，以便于更好的实现人机界面。

§2.2DDS的基本工作原理

DDS是一种运用数字技术来实现产生信号的方法，它从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。

一般由相位累加器、正弦查询表、数模转换器（DAC）、低通滤波器（LPF）和参考时钟源等组成[2]。

如图2.2所示。

图2.2DDS工作原理图

每来一个时钟脉冲Fclk，N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。

累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加；另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度/相位转换电路，幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。

最后经D/A转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。

相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器加满量时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期，这个周期也就是DDS信号的频率周期。

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。

这样就可以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D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成的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、频率转换时间、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。

DDS频率合成的特点有[9]：

●输出频率相对带宽较宽

输出频率带宽为50%Fi（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%Fi.

●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。

时钟频率越高，转换时间越短。

DDS的频率转换时间可达到纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。

●频率分辨率极高

若时钟Fi的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N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1Hz数量级，许多小于1mHz甚至更小。

●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。

●输出波形的灵活性

只要在DDS内部加上相应控制入调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、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务的波形。

当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可以得到正交的两路输出。

●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也具有局限性，主要表现在：

●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。

●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。

§2.3DDS的相关计算

由DDS的工作原理，我们可以总结出以下几个公式，各符号的定义为：

Fi：

基准频率；

Fo：

DDS输出频率；

M：

频率控制字；

N：

相位累加器位数；

K：

DDS每个输出周期的抽样点数；

Fmin：

DDS最小输出频率（频率分辨率）；

Fmax：

DDS最大输出频率。

Fo=（M/2N）*Fi

（1）

Fmin=（1/2N）*Fi

（2）

Fmax=（Mmax/2N）*Fi（3）

K=2N/M（4）

由此可以看出，当N比较大时，对于很大范围内的M值，DDS系统都可以在一个周期内输出足够的点，保证输出波形失真很小。

第三章硬件电路设计

§3.1系统结构

对一个系统来说，系统结构的好坏是非常重要的。

我本着实现所有要求的功能的基础上，简化系统结构，这样可以降低成本，也可以减少一些电路本身的干扰。

对于本系统我采用了四个模块，即：

键盘模块、控制模块、显示模块、正弦信号发生模块。

各个模块之间的关系如图3.1。

图3.1系统总框图

根据系统总框图可知CPU是用来处理键盘传来的按键信号，并且控制显示模块和正弦信号产生模块的正常工作的。

本系统的核心是正弦信号产生模块，因它是产生正弦信号的中心，其它器件只是让整个系统更加完善。

§3.2正弦信号发生器方案设计

方案一：

利用单片机查询正弦表的方法来产生正弦信号。

此方法的优点是电路简单，易实现程控。

缺点是输出信号频率范围比较窄，而且输出信号的波形好坏和单片机查询的正弦表有密切关系，既在正弦波的一个周期内所查的正弦表次数越多，则正弦波的波形越好。

但是单片机的负担也变大了，计算量将明显提高，则单片机的大部分资源被输出正弦波的工作所占用。

方案二：

利用模拟电路知识中的振荡电路的方法来产生正弦信号。

此方法的优点是输出信号频率范围比较宽。

缺点是电路的抗干扰能力比较差，不易实现程控，当输出频率比较高时电路设计比较困难。

方案三：

利用DDS技术来产生正弦信号。

此方法的优点是输出信号的频率范围比较宽，电路比较简单，易于实现程控。

缺点是DDS器件价格有点高，而且多数是帖片元件，这对于焊接工艺要求比较高。

为了达到更好的效果，本次设计我采用DDS技术。

§3.3方案论证

按照系统功能要求，决定CPU模块采用AT89S52单片机，正弦信号产生模块采用AD8951，显示模块采用LCD，控制模块采用三个独立按键。

正弦信号发生器系统设计方案框图如图3.3所示。

正弦信号发生器系统硬件电路由单片机、AD9851、LCD显示电路和按键电路等组成，它的硬件电路如附录所示。

图3.3设计方案框图

§3.4单片机最小系统模块

3.4.1AT89S52单片机简介

单片微机（Single-ChipMicrocomputer）简称为单片机。

它在一块芯片上集中成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、定时/计数和多功能输入/输出I/O口，如并行口I/O、串行口I/O和转换A/D等。

就其组成而言，一块单片机就是一台计算机。

其典型结构如图3.4.1所示。

由于它具有体积小、功能强和价格便宜等优点，因而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。

图3.4.1单片机典型内部组成原理图

单片机特点：

a）单片机体积小巧、使用灵活、成本低，易于真正产品化。

组装各种智能式控制设备和仪器，能做到机电仪一体化。

b）面向控制。

能有针对性地解决各种从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比。

c）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。

这是其它微机集中无法比拟的。

d）可以方便的实现多机、分布式的集散控制，使整个控制系统的效率大大地提高。

e）单片机应用产品的研制周期短，所开发出来的样机就是以后批量生产的产品，可以避免不必要的二次开发过程。

单片机应用：

a）工业方面：

电机控制，工业机器人，过程控制，智能传感器，机电仪一体化等。

b）仪器仪表方面：

智能仪器，医疗仪器，色谱仪，示波器等。

c）家用电器：

高级电子玩具，微波灶，洗衣机，录像机等。

d）电讯方面：

调制解调器，智能通讯设备等。

e）导航与控制方面：

导弹控制，鱼雷制导控制，智能武器装置，航天导航系统等。

f）数据处理方面：

图形终端，彩色与黑白复印机，温式硬盘驱动器，磁带机，打印机等。

g）汽车方面：

点火控制，变速器控制，防滑刹车，排气控制等。

MCS-51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应