基于单片机的DDS信号发生器设计毕业论文Word下载.docx
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关键词:
信号发生器;
DDS;
AT98S52;
AD9850;
频率;
ABSTRACT
Thisarticledescribesthedevelopmentofthesignalgenerator,thestatusanddevelopmenttrendsofdirectdigitalfrequencysynthesis(DDS)technologyatfirst,thenintroducestheprincipleofDDSstructureanditsmaincomponents.Accordingtosystemrequirements,morerationaluseofDDStechnology,single-chipAT89S52andAD9850chipasthecore,hasdesignedasimplestructureandexcellentperformanceofthesignalgenerator.Finally,thereisadetailedanalysisofthesignalgeneratorsystemarchitecture,hardwareandsoftwaredesignandspecificcircuitimplementation.Thehardwareportionofthesignalgeneratorconsistsofthreemodules,namely,single-chipmaincontrolmodule,DDSmoduleandsignalfrequencydisplaymodule.SomeofthemajorsoftwaredevelopmentbasedonMCUAT89S52dataprocessingandcontrolprocedures,aswellasexternalcommunicationsignalgeneratorprogram.Completingthepilotcircuitboardproduction,andthroughthedebugboardtorealizethecircuitisworkingproperly.Accordingtotheresultsoffinaltest,thesystemshowsthattheoutputsignalwaveformsignalgeneratorhashighaccuracy,bandwidthandothercharacteristics.
Keywords:
SignalGenerator;
DDS;
AT98S52;
AD9850;
Frequency
第1章绪论
1.1课题背景
信号发生器[1],它是一种悠久的测量仪器,最早出现于十九世纪20年代。
在40年代用于检测各种接收机的信号发生器出现了,使得信号发生器变成了定量分析测量的仪器,从而改变了信号发生器以往定性分析测试的功能。
信号发生器发展速度很慢,因为之前信号发生器的结构繁琐,电路简单,而且功耗比较大。
信号发生器的快速发展,是在60年代以后由于函数发生器的出现。
那时的信号发生器几乎都是依据模拟电路原理来实现的,但是模拟电路漂移大,导致输出波形幅度的稳定性差,同时模拟电路自身也存在着一些缺点,才使得如果想要输出的信号波形复杂多样,就必须把电路结构设计的非常复杂。
自从70年代的微处理器问世以后,信号发生器的设计制作也有了非常大的变化,从而扩大了信号发生器的功能,使得其能够产出较为复杂的波形。
而这一时期,以软件为主设计的信号发生器,能够产生多种简单的波形。
但是软件控制波形的信号发生器有一个主要缺陷,就是CPU的工作速度决定频率的高低使得其输出波形的频率很低。
如果想提高频率,则可以通过改进软件程序来减少其执行周期的时间或者提高CPU的时钟周期,但是这些办法是有局限性的,根本办法还是要对硬件电路进行改进。
和现在数字化信号发生器的兴起的形势一样,信号发生器作为电子领域里不可或缺的测量工具,它必然将朝着更加完善的方向发展。
但是我们对于任何一种测量仪器都要全方面的考虑其所适用的领域及其性价比。
由于社会各领域有着不同程度的需求,那些低成本制作的集成芯片信号发生器不可能在短期内被取代,所以这样的信号发生器还是会比较广泛的应用那些精确度要求不是很高的实验。
所以完整的信号发生器的设计还是有重要的实践意义和广阔的应用前景。
1.2课题的主要研究目的和意义
此次设计要做的是DDS信号发生器,它作为基本的电子仪器,在电子领域中有着广泛的应用。
由于电子科学技术的快速发展,各方面的需要同时也要求它要有越来越高的性能,此外,很多时候还需要两路的正弦信号在具有一样的频率的同时,还要有较为明确的相位差值。
如今在整个电子技术领域中,由于各种实验的需要,我们经常需要把一些信号作为测量的输入信号,这就是所谓的信号源。
随着社会的发展,对信号源性能的要求也越来越高,不仅要能产生复杂多样的波形,而且还要有体积小、操作灵活、可靠性高,因此要实现制作出高性能的信号源,必须在原有的基础上进行技术创新。
现在高性能的信号源大多都是利用DDS[2]技术实现的,随着电子科学技术的发展,DDS技术也有了快速的发展。
DDS技术,即直接数字频率合成技术,这是一种把数字信号处理技术引用到信号数字频率合成领域的一项新的技术,这使得再次提高输出信号频率的稳定度提供了可能。
与此同时,微电子技术的快速发展,特别是单片机技术的发展,使得智能测量仪器也有了新的发展,它们的性能也更加可靠,功能更加完善,智能的程度也在不断的提高。
DDS技术的出现引发了频率合成技术领域的一次重要的革命。
直接数字频率合成器刚出现时,构成DDS元器件运行速度的限制以及数字化引起的噪声,这两个主要缺陷阻碍了DDS的发展速度与实际应用范围。
由于数字电子电路的快速发展以及对直接数字频率合成技术的深入研究,使得DDS信号发生器的最高输出频率已接近达到和锁相频率合成器差不多的水平。
近几年以来直接数字频率合成器得到了快速的发展,它以不同于其他频率合成技术的优越性能成为了当今频率合成技术中的最佳选择。
如今,DDS技术现在已经广泛应用于整个社会的电子电气领域,例如通讯、雷达、电子对抗还有现代化的仪器仪表工业等其他领域。
DDS技术是从相位概念作为出发点,直接合成所需要的波形的一项新的频率合成技术,它与传统的模拟式产生波形的方法相比,具有频率转换速度快、相位变换连续、分辨率高、相位噪声小、稳定度高、便于集成、控制灵活以及易于调整等诸多种优点。
随着电子科学技术的发展,各方面的需求对信号源频率在其稳定度、准确度以及频谱纯度等方面要求也越来越高。
由于DDS信号发生器是一种新类型的信号源以及整个电子领域对其的需求,它俨然已成为了众多电子系统中必不可少的重要组成部分。
第2章DDS简介
2.1DDS结构
1971年,由美国学者J.Tierney等人撰写的“ADigitalFrequencySynthesizer”一文中,首次提出了凭借全数字技术,从相位概念作为出发点的直接合成所需要波形的一种新的设计组成原理。
但是局限于当时的技术和器件产业条件,它的性能指标还不能够与现有的技术相比,所以没受到大家重视。
近几年间,由于微电子技术的迅速发展,使得直接数字频率合成器(DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS或DDFS)[3]也得到了快速的发展。
它借以不同于其它的频率合成方法的优越性,在现代数字频率合成技术中有着举足轻重的地位。
这些优越性具体体现在相对带宽、频率分辨率高、频率转换时间短、输出相位连续、能够产生宽带正交信号以及其他多种调制信号,而且能编程和全数字化,在控制方面也能做到灵活方便,同时具有极高的性价比。
DDS信号发生器与传统的数字频率合成器相比,它具有高分辨率、快速转换时间、低成本和低功耗等优点,并且在通信电信与电子仪器仪表领域有着广泛的应用。
DDS技术是以相位概念作为出发点的直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。
完整的直接数字频率合成器是由相位累加器、加法器、波形存储器、D/A转换器以及低通滤波器所构成的。
DDS的原理图如下框图所示:
图2-1DDS原理框图
如上图所示,相位累加器是由时钟频率fc控制,累加频率控制字长K,同时还有加上输出的N位二进制码和波形控制字W、相位控制字P,这些相加以后的结果作为波形存储器ROM的地址。
然后对波形存储器进行寻址,波形存储器输出D位的幅度码Sn经过DAC后,输出的就会是阶梯波St,最后再经过LPF过滤后就能够得到所需要的合成信号波形。
波形存储器中所存放的幅度码决定了输出信号的波形形状,所以通过改变ROM中幅度码的值,DDS能够产生所需的任意波形。
在这里我们用DDS能实现正弦波和方波合成作为说明来介绍。
2.2频率预置与调节电路
K是频率控制字,同时它也叫相位增量。
DDS的数学方程为:
f0=fc/2n,其中f0是输出频率,fc是参考时钟频率。
在K=1时,输出的频率为fc/2,此时频率最低,但是DDS最大的输出频率是由奈奎斯特采样定理所决定的,即K最大取值2n-1时,输出频率最高。
所以,只要n的值足够大,DDS的频率间隔就能够足够的小。
因此通过改变频率控制字K的值,就能够改变DDS的输出频率。
2.3累加器
相位累加器是[3]由N位加法器和N位寄存器通过级联来构成,如下图所示:
图2-2累加器框图
在整个系统工作过程中,每当有一个时钟脉冲到来时,相位累加器会把ROM所输出的累加相位数据和频率控制字加起来,ROM的数据输入端的数据就是相加后所得到的结果。
最后ROM会把相位累加器在前面一个时钟脉冲作用下所得到的结果继续与频率控制字相加。
这样一来,系统就会不断地进行相位累加,直到相位累加器累加满,相位累加器加满后就会导致一次溢出,完成一个周期性运作。
2.4控制相位和控制波形的加法器
改变相位控制字P的大小可以控制输出信号的相位参数的变化。
在此,令相位累加器字长为N,而当相位控制字从0跳变到P(P≠0)时,ROM的输入相位大小为相位累加器的输出和相位控制字P之和,这时输出的幅度编码相位的值就会增加P/2N,进而使得最后输出的信号波形发生相移变化。
同样地,通过改变波形控制字W的大小也可以控制输出信号的波形形状。
因为在ROM中,不同波形存储位置也是不同的,它们是分块存储的,因此当波形控制字的大小发生改变时,相位改变后的地址和波形控制字之和就是ROM的输入地址,因而,最后输出的信号会发生相位移动。
2.5波形存储器
波形存储器[3]工作原理是把相位累加器输出的数据,用来作为波形存储器取样的地址,从而进行波形的相位一幅值转
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