基于DDS的智能信号发生器设计.docx
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基于DDS的智能信号发生器设计
(2008届)
本科毕业设计(论文)资料
题目名称:
基于DDS的智能信号发生器设计
学院(部):
电气与信息工程学院
专业:
自动化
学生姓名:
班级:
042
学号15
指导教师姓名:
职称高级工程师
最终评定成绩:
湖南工业大学教务处
2008届
本科毕业设计(论文)资料
第一部分设计说明书
(2008届)
本科生毕业设计(论文)
基于DDS的智能信号发生器设计
学院、系:
电气与信息工程学院
专业:
自动化
学生姓名:
班级:
042
指导教师姓名:
职称高级工程师
最终评定成绩
2013年6月
摘要
本文首先介绍了国内外智能仪器仪表发展状况及其特点,随后重点阐述了一种以直接数字频率合成(DDS)技术为基础的信号发生器的设计。
采用单片机89C51控制DDS芯片AD9850产生频率可调的正弦信号,并通过低通滤波器得到纯正的信号,最后经过功率放大驱动电路输出目标信号。
本文采用的技术主要有传统的信号发生器的技术,直接数字波形合成(DDS)技术、高速D\A,A/D转换技术,智能仪器仪表技术。
论文介绍了系统设计任务的提出,总体方案的确立,系统硬件和软件的设计以及实现的系统主要功能。
本文所设计的发生器具有发生器具有频率精度高,频率范围宽,操作快捷方便等优点。
关键字:
智能信号发生器,DDS,D/A转换,A/D转换,单片机89C51
ABSTRACT
Inthisarticle,Ifirstlyintroducethedevelopmentandcharacteristicsofintellegentizedinstrumentsathomeandabroad.,andthenIdeeplyintroduceakindofintelligentsignalgeneratorbasedondirectdigitalsynthesizertechnology.MCU89C51isadoptedtocontrolDDSchipAD9850toproducethesinesignalwhichfrequencymaybeadjusted.Thepuresignalcanbeobtainedthroughthelowpassfilter,andthentargetsignalisdrovebythepoweramplifier.AndmyarticleisbasedontheprincipleofthetraditionalsignalgeneratorintegratedwiththetechniquesonDirectdigitalfrequencysynthesizer,HighspeedA/DconversionandIntelligentizedinstrument.Ibringsforwardthetaskofdesigningthesystemanddemonstratesthecollectivityprojectofthesystem.Thedesignandrealizationofthesystem'shardwareandsoftwarearepresented.Mygenerator,hassuchadvantagesashighfrequencyprecision,widefrequencyrange,andquicklyfacilitateandsoon.
Keywords:
IntellegentizedInstruments,DDS,D/AConverter,A/DConverter,
MCU89C51
第1章绪论
1.1课题研究意义以及国内外发展概况
智能仪器是计算机技术与电子测量仪器相结合产物。
函数信号发生器则是能产生所需要波形的装置。
近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛,在此基础上发展起来的智能仪器仪表无论是在测量的准确度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有迅速的发展。
随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展,以及人工智能向测控技术的移植
和应用,智能仪器仪表技术发展迅速。
作为现阶段智能化电子仪器主体的智能仪器在
工业发达国家己经非常成熟与普及,但国内此方面技术发展与改造起步和发展比较缓
慢。
我国于1984年‘正式成立“自动测试与智能仪器专业组”,1989年5月我国第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会在武汉召开,直到1993年在北京召开的仪器仪表与计算机应用学术会议上,智能仪器仪表作为重点议题之后,国内智能仪器仪表技术和改造开始迅速发展。
1.2智能信号发生器与传统信号发生器的比较
信号发生器作为电子测量系统中应用最为普遍的电子测量仪器之一,是工业控制、
教学科研常用的基础仪器,国外已有数字化的智能函数发生器产品,例如HP公司的
HP-3335,HP-8642/8;FLUKE公司6080A等产品,但其价格昂贵,并且多为射频
信号发生器,只产生正弦波形。
国内也有少数半数字化的函数发生器产品,但其都是对传统函数发生器简单的数字化改造,输出信号的波形种类没有增加,性能也未有明显改善,并且不具有输出信号的实时显示功能和汉化的菜单式人机交换界面。
因此研制开发操作简单、低成本、高性能的新一代信号发生器十分必要。
智能函数信号发生器的特点
智能函数信号发生器与传统的模拟函数信号发生器相比,具有以下几个明显特点:
1、利用微机控制键盘和显示。
键盘和显示是智能信号发生器区别于传统信号发生
器在面板设计上最突出的特点。
由于采用美观方便的按键操作代替了传统的开关或旋
钮,避免了手动控制带来的人为误差。
由于采用具有显示信息量大优点的液晶显示器
LCD,大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。
2、强的输出能力。
由于采用了由仪器内微处理器控制而生成所需新波形的技术,
即直接数字合成技术(DirectDigitalFrequencySynthesizer),导致普通的智能信号发生器能产生多种函数的周期性波形,大大拓展了仪器的输出能力。
3、自检、自诊断功能。
这是智能信号发生器区别于传统信号发生器的重要特征之
一。
能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征,不仅大大方便了维修,而且
保证了输出的可靠性。
4、自校和自修正。
对于智能化仪器来说,这也许是最重要的作用,它意味着在相
同或更低性能的硬件条件下,仪器指标能够达到更高的水平,即实现了高的性能价格
比。
另一方面,微处理器的加入使以前由硬件电路很难或根本办不到的事成为可能。
5、远地输入输出能力。
仪器配有标准接口,可纳入自动测试系统中工作。
重要意义
本课题所研制的智能信号发生器从设计原理上综合了传统的硬件电路产生函数信号波形和采用直接数字合成技术产生函数信号波形的优点,大大的增加了仪器输出信号的波形种类,输出信号性能也明显改善。
系统采用键盘和LCD作为人机对话窗口,具有良好的人机界面,并能实时显示输出波形及其参数,方便操作。
系统配有标准接口,具有远地输入输出能力,可纳入自动测试系统中工作。
本课题研制的智能高频率信号发生器,具有新颖、结构简单、高性能、操作控制灵活的特点,具有很大的市场开发、应用前景。
本产品研制开发成功可大大加速我国电子产品栩能化更新换代进程,从而加速我国工业和国防领域自动化测试和控制的普及。
1.3本课题内容与任务
本课题是根据智能信号发生器的特点和应用情况,结合新一代高性能芯片89C51单片机和DDS技术设计一种使用简单、性能优良的智能信号发生器,该发生器能产生正弦波标准信号,并能通过辅助简单的电路和芯片输出方波等其他波形,通过键盘来控制波形的幅值变化、频率变化,并通过LCD液晶显示器显示其数值。
整个系统采用单片机控制,论文主要研究智能信号发生器设计时如何合理地确定设计方案,在系统的硬件设计时需要注意的问题以及如何进行电路设计,还有系统软件部分,如程序的编写,流程图的绘制等问题。
便捷的人机对话界面结合硬件和软件技术最终实现了信号发生器的智能化。
第2章DDS技术,芯片介绍
2.1DDS原理
DDS即直接数字频率合成技术,是一种运用数字技术来实现产生信号的方法。
由于采用了全数字大规模集成技术,具有体积小、价格低、频率分辨率高、频率转换快、合成范围宽、信号纯度高等优点。
我们知道目前广泛采用的频率合成技术主要有直接合成、锁相频率合成和直接数字合成三种方式。
随着数字技术的飞速发展,高精度大动态范围DAC的出现和广泛应用,用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术,即直接数字频率合成(DDS)技术异军突起。
DDS(DirectDigitalSynthesis)的概念首先由美国学者J.Tierncy.C.M.Rader和B.Gold提出,它是以全数字技术,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理,与其他频率合成方法相比,DDS具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成等突出优点。
正是这些有别于其他频率合成方法的优越性能和特点,使得DDS成为现代频率合成技术中的佼佼者。
DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信合成技术。
目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表,然后通过高速DAC产生已经用数字形式存入的正弦波。
常见的DDS系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、D/A转换器和低通滤波器组成。
参考时钟为高稳定度的晶体振荡器,其输出用于同步DDS各组成部分的工。
DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器与一个N位相位寄存器构成。
每来一个时钟脉冲,加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加,把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端,累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。
这样,相位累加器在参考时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出,完成一个周期性的动作,这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期,累加器的溢出频率就是输出的信号频率。
正弦查询表是一个可编程只读存储器(PROM),存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值,包含一个周期正弦波的数字幅度信息,每个地址对应于正弦波中0°~360°范围的一个相位点。
下图2.1与图2.2为DDS基本原理结构图
图2.1DDS原理框图
图2.2DDS波形输出原理框图
上述DDS原理框图,它主要由相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器组成。
在时钟脉冲的控制下,相位累加器对输入的频率控制字不断进行累加得到相应的相位码,同时,相位码序列作为地址信号去寻址波形存储器进行相位码-幅度码的转换,并输出不同的幅度编码。
这一系列不同的幅度编码经过D/A转换器转换得到相应的阶梯电压波,最后经过低通滤波器平滑,即可得到相应的正弦波形。
输出波形的频率由下式计算:
FOUT=(K*FCLK)/2N。
频率分辨率定义为:
F=FCLK/2N。
其中,FCLK为输入参考频率,K为输入的频率控制字,N为相位累加器的位数。
2.2DDS芯片AD9850介绍
AD9850是AD公司生产的最高时钟为125MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器,主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器(DAC)和高速比较器3部分构成,能实现全数字编程控制的频率合成,并具有时钟产生功能。
图2.3为AD9850的引脚图
图2.3AD9850引脚图
AD9850的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表,其中相位累加器由一个加法器和一个32位相位寄存器组成,相位寄存器的输出与外部相位控制字(5位)相加后作为正弦查找表的地址。
正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表,它包含一个正弦波周期的数字幅度信息,每一个地址对应正弦波中0°~360°范围的一个相位点。
查找表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号,然后驱动10bit的DA变换器,输出2个互补的电流,其幅度可通过外接电阻进行调节。
AD9850还包括一个高速比较器,将DA变换器的输出经外部低通滤波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波,这使得AD9850可以方便地用作时钟发生器。
AD9850包含40位频率/相位控制字,可通过并行或串行方式送入器件:
并行方式指连续输入5次,每次同时输入8位(1个字节);串行方式则是在一个管脚完成40位串行数据流的输入。
这40位控制字中有32位用于频率控制,5位用于相位控制,1位用于掉电(powerdown)控制,2位用于选择工作方式。
图2.4为AD9850控制字并行输入时序
图2.4AD9850控制字并行输入时序
在并行输入方式下,通过8位总线D0~D7将外部控制字输入到寄存器,在W-CLK(字输入时钟)的上升沿装入第一个字节,并把指针指向下一个输入寄存器,连续5个W-CLK的上升沿读入5个字节数据到输入寄存器后,W-CLK的边沿就不再起作用。
然后在FQ-UD(频率更新时钟)上升沿到来时将这40位数据从输入寄存器装入到频率/相位寄存器,这时DDS输出频率和相位更新一次,同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待下一次的频率/相位控制字输入
AD9850从投入市场到今天已经应用在雷达系统、低功耗频率源中。
它良好的频率合成功能适合于应用在高精度测试中。
本文采用的DDS芯片AD9850可用的最高时钟频率达125MHZ,相位累加器的位数为32,在125MHZ时钟频率输入下,频率分辨率为0.0291HZ。
2.389C51单片机
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
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和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的89C51是一种高效微控制器,89C2051是它的一种精简版本。
89C51单片机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。
AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器(FPEROM-FlashProgrammableandEraseableReadOnlyMemory)的8位CMOS微控制器,使用高密度、非易失存储技术制造,并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。
主要性能:
1.与MCS-51微控制器产品系列兼容。
2.片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器
3.存储数据保存时间为10年
4.宽工作电压范围:
Vcc可为2.7V到6V
5.全静态工作:
可从0Hz至16MHz
6.程序存储器具有3级加密保护
7.128*8位内部RAM
8.32条可编程I/O线
9.两个16位定时器/计数器
10.中断结构具有5个中断源和2个优先级
11.可编程全双工串行通道
12.空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容
第3章系统设计方案
3.1系统设计的主要技术指标
根据课题任务书,本设计主要的技术指标如下:
(1)主要产生高品质的正弦波以及产生方波等其他波形的方法
(2)用键盘输入编辑生成上述波形
(3)具有波形存储功能。
(4)具有显示输出波形的类型,重复频率(周期)和幅度的功能。
(5)增加稳幅输出功能
(6)具有掉电存储功能,可存储掉电前用户编辑的波形和设置。
为实现上述功能,设计本系统所需解决的主要问题有:
(1)系统主要芯片的选择,连接,电路的设计等
(2)人机对话界面设计:
仪器要实现键盘式输入和图形显示功能,不仅需要一个操作简单方便、视觉效果良好的硬件平台,还需要功能强大、高效的配套软件管理系统。
(3)软件设计:
软件的设计研制是整个系统设计的主要组成部分,它不仅要配合整个系统硬件实现仪器的系统功能,而且还负责和掌管系统硬件之间的一协调合作,并通过各种算法实现对信号的测量与控制。
3.2系统设计方案的选择
目前信号发生的主要实现方法由直接模拟法、直接数字法两种。
基于这两种方法的系统设计提出了如下三种方案:
方案1:
采用模拟分离元件或单片压控函数发生器MAX038,输出的波形具有良好的相位噪声、较低的寄生分量以及较快的开关速度等,但其电路结构复杂,且模拟电路的漂移较大,使输出的波形的幅度稳定性差,而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点,同时,主要表现为两个突出问题,一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节,因而很难将频率调到某一固定值;二是脉冲的占空比不可调节,如果要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。
见图3.1。
输出
图3.1传统函数发生器的简化基本结构
方案2:
采用锁相式频率合成方案。
锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精确度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术,它在一定程度上解决了既要频率稳定精确、又要频率在较大范围可变的矛盾。
但由于锁相环本身是一个惰性环节,锁定时间较长,故频率转换时间较长,即频率受VOC可变频率范围的影响,高低频率比不可能做得很高。
方案3:
采用直接数字频率合成(DDS)技术方案。
用存储器存储所需波形的量化数据,按照不同的频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加以累加相位值作为地址码读取存放在存储器中的波形数据,经D/A转换和幅值控制即可得所需波形。
DDS具有相对带宽很宽,频率转换时间极短(可小于20ns),频率分辨率可以做到很高(典型值为0.001Hz)等优点;另外,输出相位连续,频率相位和幅值均可实现相位和幅值均可实现程控,且理论上可以实现任意波形,可以完全满足设计的要求.
因此采用第三种方案。
这也是目前实际应用的波形发生器常采用的方案.
3.3芯片的选择
3.3.1主芯片的选择
基于DDS实现的波形发生器,其系统的CPU可有多种芯片的选择,以下给出了几种方案比较如下:
方案1;采用直接频率合成器件,如AD9850,它可以直接产生正弦波和方波,再外接一个方波—三角波变换电路,如对方波进行积分就可以产生三角波。
对所得到的方波进行带通滤波,就可以得到正弦波此方案电路简单,但是AD9850对方波积分时,不同频率的方波所获得幅度是不同的,在100Hz—200kHz这样的带宽内频率变化会导致幅度有很大的变化,不利于幅度的调节。
方案2:
采用AT89C51单片机作为微处理器,由于51单片机的主振频率为25MHz,但经12分频后,机器周期太长,频率很难达到要求的范围,而且外围要加一个D/A转换器,电路连接起来也不够简洁,同时由于端口数目太少,若要再连接键盘,显示器等外围电路无疑要扩展其I/O端口,这样便进一步增加了外围电路的复杂程度,还需外扩存储器,无机更增加了CPU的工作负荷,不适宜单独采用。
方案3:
采用内部具有D/A转换器的单片机作CPU,比如C8051F020。
这种单片机一般是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC),具有与8051兼容的高速CIP-51内核,片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件;可是这种方案实行起来相对较复杂,而且费用较上两种方案昂贵,不利于推广。
综合上述的分析,决定将第一种方案和第二种方案结合起来使用,即用51单片机控制DDS芯片AD9850,来产生正弦信号,在通过一些外围的电路实现方波等的输出。
3.3.2键盘接口芯片的选择
键盘接口是单片机应用系统中最常用的应用接口之一。
系统的设计性能的优劣一部分也由键盘接口电路决定。
键盘接口电路必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。
对于其具有51核心的单片机,通用扩展键盘的方法很多,如采用并行芯片8255或者8155的I/O口扩展芯片来外接键盘。
也可以用可编程通用键盘/LED接口芯片8279以及采用智能显示驱动芯片HD7279来扩展键盘。
各芯片的特点如下所示:
方案1:
采用扩展并行芯片8255或者8155的I/O口扩展芯片来外接键盘。
这两种编程和电路连接均比较复杂,必须增加一定的硬件,比如8155必须扩充段驱动器和位驱动器,对于外围I/O线较少的单片机来说显然不适用;8255扩展时必须设计消抖电路或编制消抖子程序,由CPU进行不断的键盘扫描,占用了CPU的大量资源,使之负担过重。
方案2:
而对于可编程通用键盘/LED接口芯片8279,其功能有:
接受来自键盘的输入数据,并作预处理;数据显示的管理和数据显示的控制。
利用8279芯片可实现对键盘的自动扫描,可代替单片机完成对键盘和显示器的控制,从而提高了CPU的工作效率。
但作为并行接口芯片,仍摆脱不了占用CPU大量的I/O口线之嫌。
方案3:
采用智能显示驱动芯片HD7279来扩展键盘,该芯片具有串行接口,可以同时驱动8位共阴极数码管和连接64键的键盘矩阵,单片机可以完成数码显示和键盘接口的全部功能,而且该芯片自带RC振荡电路,无需外接时钟,与单片机的接口电路简单,和微处理器之间只需四条I/O线。
加之它具有较高的性价比,因此,在微型控制器,测控系统中得到广泛的应用。
综合分析上述方案,采用智能显示驱动芯片HD7279来扩展键盘.
3.3.3显示接口芯片的选择
系统的设计在显示控制上也有多种的选择。
方案比较如下所示:
方案1:
简单点可以用数字电路控制,显示用多个LED灯,但很难达到较好的控制,并且硬件电路复杂,集成度也不是很高,不利于调节,显示的内容很少,不方便观察。
对于本设计的的复杂程度是不相适用的。
方案2:
相对于LED显示模块来说,点阵式LCD由于体积小、质量轻、功耗微、寿命长、而且还可以显示图形,曲线和汉字、以及无电磁辐射等优点,已经逐渐成为各种便携式电子信息产品的理想显示器。
金鹏电子有限公司开发的OCMJ4X8CLCD显示模块。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
此模块可显示字母、数字符号、中文字形及图形,具有绘图及文字画面混合显示功能。
比较分析以上方案,选用OCMJ4X8C作为系统设计的显示部分。
3.3.4电源模块的选择
电源是任何电子系统的根源,它的好与坏将直接影响电子系统工作的稳定性。
本课题采用9V直流输入,经过线性稳压器产生所需电压,而9V来自于信号发生器附带的稳压器(220VAC输入,9VDC输出)成品。
由9V转换到其他电压,方法很多,本设计提出三种方案:
(1)自己设计开关电源:
开关电源也是实现电源转换的一种方法,效率很高,但设计要比使用线形稳压器要复杂得多。
但对于大电流高功率的设计,
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