基于直接数字频率合成技术.docx

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基于直接数字频率合成技术

基于直接数字频率合成技术

中国人民解放军西安通信学院毕业论文

基于直接数字频率合成技术

的宽频调幅信号产生

摘要

本文介绍了任意幅度移动正弦信号的产生的方法以及具体的电路实现。

正弦波的产生采用了当今比较先进和流行的直接频率合成（DDS）技术，该技术精度高、稳定性好、频率范围宽，通过AD9852芯片可以很方便的实现不同频率的正弦信号输出。

当涉及到一个精密的时钟源的时候，AD9852产生一个非常稳定的频率相位幅度可编程的正弦输出。

高速的数模转换器AD9852的使用使得产生的正弦波的频率可以达到150MHZ，从而达到了宽频调幅的要求。

关键字：

直接频率合成  数模转换器  AD9852芯片

ABSTRACT

Thisarticleintroducedtheproductionmethodofsignalaswellastheconcreteelectricalcircuit’srealization.Thesinewaveproductionhasusedthequiteadvancedandpopulardirectfrequencysynthesis（DDS）technologynowadays，thetechnique’saccuracyishigh,stabilitygood,frequencyscopebreadth,throughtheAD9852chipcanrealizesveryconvenientlythesinesignalofthedifferentoutput.Whenreferencedtoanaccurateclocksource,theAD9852generatesahighlystablefrequency,phase,andamplitude-programmablecosineoutput.TheuseofhighspeedD/Aconvertermakesthesinewave’sphasewhichproducesatfrequencyto150MHZ,sothecommandofwideAMcanbeacquired.

Keywords:

  Thedirectdigitalfrequencysynthesizer      

D/Aconverter    AD9852chip

目录

第一章  设计简介

1.1  设计要求………………………………………………

1.1.1基本要求………………………………………………

1.1.2题目分析………………………………………………

1.2  设计思路的总体框图以及设计思想………………

第二章  设计的关键技术

2.1  频率合成技术…………………………………………

2.1.1频率合成技术的由来…………………………………

2.1.2频率合成技术的原理…………………………………

2.1.3频率合成技术的分类…………………………………

2.2  DDS技术………………………………………………

2.2.1DDS技术的特点………………………………………

2.2.2DDS技术的应用………………………………………

2.2.3DDS技术比模拟PLL（锁相环）的优越性…………

2.3  单片机技术……………………………………………

2.3.1单片机的概述…………………………………………

2.3.2单片机的基本结构……………………………………

2.3.3单片机的特点…………………………………………

第三章  设计原理

3.1    DDS部分…………………………………………………

3.1.1    DDS的工作原理………………………………………

3.1.2    DDS的输出频率给定…………………………………

3.1.3    DDS的特点…………………………………………

3.2    AD9852芯片……………………………………………

3.2.1    AD9852的基本描述…………………………………

3.2.2    AD9852的引脚配置和功能描述……………………

3.2.3    AD9852的工作原理…………………………………

3.3    单片机的选择……………………………………………

第四章  各部分电路分析

4.1    键盘部分…………………………………………………

4.2    显示部分…………………………………………………

4.3    单片机与AD9852芯片部分……………………………

4.4    软件流程………………………………………………

4.5    测试结果………………………………………………

第五章    利用DDS技术实现调幅的模拟方案

5.1  利用AD835实现调幅的框图…………………………

5.2  AD835芯片的介绍……………………………………

5.3  AD835的应用…………………………………………

5.4  AD835实现调幅的优点………………………………

结束语

参考文献

致谢

附录

第一章设计简介

1设计要求

利用AD公司生产的AD9852芯片设计实现宽频调幅信号的产生。

1.1基本要求

1载波为正弦波，频率为1Mhz——30Mhz程控调节（步进调节）。

2调制信号自行设计（1khz正弦波）。

3调制度可程控调节（10%的步进）。

4六位的LED显示。

1.2题目分析

为了得到稳定的正弦信号，就可以利用数字频率合成（DDS）技术来使单片机产生正弦信号。

将一个（或多个）基准频率变换成另一个（或多个）所需频率的技术称为频率合成技术。

频率合成有二项任务：

一是产生所需频率的信号；一是使得所得信号质量合乎要求，即信号所含的噪声和杂散频率要符合要求。

在DDS所有芯片中，我选择了不仅具有很高性价比，而且还具有符合本次设计要求的振幅调制功能的AD9852芯片，对所要产生的信号的实现是通过单片机对AD9852芯片的控制来得到的。

2设计思路的总体框图以及设计思想

信源产生一个调制信号，送到模数转换器处，进行模数转换。

转换成单片机能够识别和运行的二进制数据。

然后送到单片机进行处理，然后输送6位地址，写频率控制字，在时钟脉冲的作用下，控制DDS的AD9852芯片进行信号的处理，输出所要求取的正弦波信号，最后再输送到低通滤波器LPF处，对输出的正弦阶梯波进行平滑滤波，就得到了我们比较满意的平滑的、完美的正弦波。

3  设计方案论证

        第二章  设计的关键技术

1频率合成技术

1.1频率合成技术的由来

随着通信、雷达、宇航和遥控遥测技术的不断发展，在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可以方便调节的频率源。

尤其随着频道的分布日趋密集，用常规的信号发生器无法满足对频率源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数提出的越来越高的要求。

为了提高频率稳定度，经常采用晶体振荡器等方法来解决，但它不能满足频率个数多的要求，因此，目前大量采用频率合成技术。

通过对频率进行加、减、乘、除的运算，可从一个高稳定度和高准确度的标准频率源，产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。

1.2频率合成技术的原理

频率合成器是从一个或多个参考频率中产生多种频率的器件,是指对一个高精度高稳定度的标准信号频率，经过一系列算术运算，产生有相同稳定度和精确度的大量离散频率的技术。

虽然只要求对频率进行算术运算，但是由于需要大量有源和无源器件，使频率合成系统相当复杂，这项技术一直发展缓慢。

直至电子技术高度发展的今天，微处理器和大规模集成电路大量使用，频率合成技术才有迅速发展，并得到广泛应用。

1.3频率合成技术的分类

频率合成技术主要分为：

直接合成技术、锁相环的技术、直接数字频率合成技术。

下面对这三种技术一一做介绍，主要讲述锁相环的技术和直接数字频率合成技术。

（1）  直接合成技术

直接合成技术是通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算，得到各种所需频率。

直接频率合成方法具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好,并能产生任意小的频率增量等优点.但它也存在一些不可克服的缺点，用这种方法合成的频率范围将受到限制。

更重要的是由于大量的倍频，混频等电路，就要有不少滤波电路，使合成器的设备十分复杂，而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制,而且容易产生过多的杂散分量,难以达到较高的频谱纯度。

（2）  锁相环技术

利用锁相环的相位锁定特性，获得与基准频率成一定倍数的新频率的电路，称为锁相频率合成器。

由于锁相环有良好的窄带滤波特性，输出的波形纯净，并且在环路锁定后输出频率的温度稳定度和时间稳定度与基准频率相同。

这些优点使其成为当前最主要的频率合成器，尤其是把大规模数字锁相集成电路和微处理器结合起来，使频率合成器的实现更方便，性能更好。

  锁相环频率合成器原理框图

由原理框图所示，其基准频率通常由相对频率稳度为10-6的晶体振荡器产生，经M倍分频后提供适当的基准频率。

虚线框中的电路是频率合成器的核心部分--锁相环，它由鉴相器、低通滤波器和压控振荡器等组成。

系统输出信号的频率为fo=（N/M）fi。

改变分频比N或M，可方便地获得大量离散频率的输出信号。

锁相环是一个实现相位自动锁定的控制系统，可分为模拟锁相环和数字锁相环，它们都包括三个基本的组成部分：

鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）。

它们可和÷N电路构成一个闭合的相位反馈控制电路。

由于晶体振荡器具有很好的长期时间稳定性，锁相环具有很好的短期时间稳定性，两者相结合可在设计要求的频率范围100Hz～16383kHz内获得近似于晶体振荡器的频率稳定度。

另外，电路产生的信号波形很好，其中正弦信号的失真度仅为0.75％。

锁相环式频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需频率的信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。

但由于锁相环本身是1个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。

除此之外，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率和相位都很难控制。

（3）  直接数字频率合成技术

1971年，美国学者J．Tierncy，C．M．Rader和B．Gold提出了以全数字技术，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。

限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。

近20年间，随着技术和器件水平的提高，一种新的频率合成技术——直接数字频率合成（DDS）技术得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。

2DDS技术

2.1DDS技术的特点

DDS在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率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。

（1）极快的频率切换速度:

DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间主要由LPF附加的时延来决定。

如fc＝10MHz，转换时间即为100ns，若时钟频率升高，转换时间将缩短，但不可能少于数字门电路的延迟时间。

目前，DDS的调谐时间一般在ns级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。

（2）极高的幅度分辨率:

  幅度的分辨率决定于幅度控制的DAC的位数：

ΔV=Vref/2N式中，N为幅度控制的DAC的位数，Vref为幅度控制的DAC的参考电压。

（3）低相位噪声和低漂移:

  DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。

而在大多数DDS系统应用中，一般由固定的晶体振荡器来产生基准频率，所以其相位噪声和漂移特性是极为优异的。

（4）连续的相位变化:

同样因DDS是一个开环系统，故当一个转换频率的指令加在DDS的数据输入端时，它会迅速合成所要求的频率信号，在输出信号上没有叠加任何电流脉冲，输出变化是一个平稳的过渡过程，而且相位是连续变化的，这个特点也是DDS独有的。

（5）在极宽的频带范围内输出幅度平坦的信号:

DDS的最低输出频率是所用的时钟频率的最小分辨率或相位累加器的分辨率。

奈奎斯特采样定理保证了在直到该时钟频率一半的所有频率下，DAC都可以再现信号，即DDS频率的上限fomax由合成器的最大时钟频率fc决定（fomax＝fc/2）。

（6）易于集成、易于调整

DDS中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除DAC和滤波器外，无需任何调整，从而降低了成本，简化了生产设备。

但是它的全数字结构造成了DDS的主要缺点：

其一，根据取样定理，输出信号的最高频率将低于参考时钟的一半，故若要提高输出频率将受到器件如DAC、ROM的速度限制；其二，DDS输出信号中杂散寄生分量大，其中输出高频尤甚，它无法达到PLL频率合成的频谱纯度；其三，DDS的功耗与其时钟频率成正比，故在供电受到限制的场合且又要求有较高的频率输出，DDS就有局限性。

2.2DDS技术的应用

DDS问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声，这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。

近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。

随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。

（1）实时模拟仿真的高精密信号

在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。

利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的最佳方式和手段。

这是其它频率合成方法不能与之相比的。

例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。

（2）实现各种复杂方式的信号调制

DDS也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：

频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制，因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的。

现代通信技术中调制方式越来越多，BPSK，QPSK，MSK都需要对载波进行精确的相位控制。

而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。

一个32位的相位累加器可产生43亿个离散的相位电平，而相位精度可控制在8×10-3度的范围内，因此，在转换频率时，只要通过预置相位累加器的初始值，即可精确地控制合成信号的相位，很容易实现各种数字调制方式。

（3）实现频率精调，作为理想的频率源

DDS能有效地实现频率精调，它可以在许多锁相环（PLL）设计中代替多重环路。

在一个PLL中保持适当的分频比关系，可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来，从而实现更为理想的DDS＋PLL混合式频率合成技术。

在频率粗调时用PLL来覆盖所需工作频段，选择适当的分频比可获得较高的相位噪声，而DDS被用来覆盖那些粗调增量，在其内实现频率精调。

这种方案以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应满足了各种系统对频率源苛刻的技术要求。

这也是目前开发应用DDS技术最广泛的一种方法。

采用这种方案组成的频率合成器已在很高的频率上得以实现。

  当然，DDS的应用不仅限于这些，它还可用于核磁谐振频谱学及其成像、检测仪表等。

随着DDS集成电路器件速度的飞速发展，它已成为一种可用于满足系统频率要求的重要而灵活的设计手段。

2.3DDS技术比模拟PLL（锁相环）的优越性

输出分辨率小：

只要相位累加器的位宽足够大，参考时钟频率足够小，则分辨率可以很小：

AD9850（参考时钟频率f=125MHz）的相位累加器为32位，分辨率0.03Hz；AD9830（参考时钟频率f=50MHz）的相位累加器为32位，分辨率0.012Hz；AD9852（参考时钟频率f=300MHz）的相位累加器为48位，分辨率1*10-6Hz。

相反，模拟锁相环的合成器的分辨率为1KHz，它缺乏数字信号处理的固有特性。

输出频率变换时间小：

一个模拟锁相环的频率变换时间主要是它的反馈环处理时间和压控振荡器的响应时间，通常大于1ms。

整片DDS合成器的频率变换时间主要是DDS的数字处理延迟，通常为几十个ns（AD9850最小43ns）。

调频范围大：

一个负反馈环的带宽输出参考频率决定了模拟锁相环的稳定的调频范围；整片的DDS合成器是不受稳定性的影响的，在整个NYQUIST频率范围内是可调的。

相位噪声：

DDS优于PLL的最大优势就是它的相位噪声。

由于数字正弦信号的相位与时间成线形关系，整片的DDS输出的相位噪声比它的参考时钟源的相位噪声小。

而模拟锁相环的相位噪声是它的参考时钟的相位噪声的加倍。

体积小、集成度高：

整片的DDS封装成小面积芯片，因而比PLL的占板面积小得多。

功耗小：

整片的DDS的功耗比早期的离散型DDS要小，例如AD9850在3.3V功耗为155mW，以100MHz为参考时钟，产生一个40MHz的信号。

这可以与离散型模拟锁相环相抗衡。

设计方便：

整片DDS包括了信号D/A变换器，在系统设计时易于实现，而且现在的DDS不再需要专门的射频设计，简单的数字控制减少了硬件的复杂性。

但是DDS频率合成目前还存在工作频率高端受限，主要是受DAC器件速率限制，杂波电平高（较好的有-70dBc），作为时钟发生器时边缘抖动大等缺点。

3  单片机技术

3.1单片机的概述：

  随着超大规模集成电路技术的不断提高，当前，微型计算机正朝着两个方向迅速发展。

一是高性能的超级微型机，这类微型机的出现和完善是对中，小型计算机的一个挑战；二是性能，价格平均低的单片机。

它把组成微型计算机的各功能部件：

中央处理器CPU，随机存取存储器RAM，只读存储器ROM，可编程存储器EPROM，并行及串行输入输出I/O接口电路，定时器/计数器，中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机。

随着大规模集成电路技术的发展，单片机内还可以包含A/D,D/A转换器，高速输入/输出部件，DMA通道，浮点运算等新的特殊功能部件。

由于它的结构和指令功能都是按工业控制要求设计的，特别适合于工业控制及与控制有关的数据处理场合，为仪器仪表的自动化和计算机外部设备的智能化开辟了广阔的前景。

3.2单片机的基本结构

下面主要说明我比较熟悉的AT89C51单片机的基本结构，它由八大部分组成。

这八大部分是：

一个8位中央处理机CPU。

它由运算部件，控制部件，其中包括振荡电路和时钟电路，其中主要完成弹片机的运算和控制功能。

它是单片机的核心部分，决定了单片机的主要功能特性。

128个字节的片内数据存储器RAM。

其中外数据存储器的寻址范围为64KB，用于存放可读写的数据，如运算的中间结果或最终结果等。

4KB的片内程序只读存储器ROM或EPROM。

其中外可寻址范围为64KB，主要用于存放已编制的程序，也可以存放一些原始数据和表格。

18个特殊功能寄存器SFR。

它用于控制和管理片内算术逻辑部件，并行IO口，串行IO口，定时器计数器，中断系统等功能模块的工作。

4个8位并行输入输出IO接口：

P0口，P1口，P2口，P3口，用于并行输入或输出数据。

1个串行IO接口。

它可以使数据一位一位串行地在计算机与                        外设之间传送，可用软件设置为4种工作方式，用于多处理通讯，IO扩展或全双工通用异步接收器（UART）。

2个16位定时器计数器。

它可以设置为计数方式对外部时间进行计数，也可以设置为定时方式进行定时。

计数或定时的范围有软件来设定，一旦计数或定时到则向CPU发出中断请求，CPU根据计数或定时的结果对计算机或外设进行控制。

1个具有5个中断源，可编程为2个优先级的中断系统。

它可以接收外部中断申请，定时器计数器中断申请和串行口中断申请。

常用于实时控制，故障自动处理，计算机与外设之间传送数据及人-机对话等。

3.3单片机的特点

（1）体积小。

单片机在一个芯片中集成了CPU,ROM,RAM,可编程存储器EPROM，中断控制器，计数器/定时器及众多的I/O，接口，因此，一个芯片就是一台微型机。

（2）面向控制。

单片机一般用于各类型控制系统和仪器中，而且，使用单片机的设备，在硬件基本不变的情况下，往往只改变单片机中程序，就可以成为新一代产品。

  （3）指令系统简洁。

由于单片机的程序常常放在片内ROM中，而片内ROM的容量有限，所以要求指令简洁。

单片机的指令系统中，往往一半为单字节指令，剩下的指令中，多数为2字节指令，只有少数是3字节指令。

  （4）性能价格比高。

目前，只要几美元就可以买到单片机，而在功能上，它就是一台微型机，所以，只要花费很小的代价就可以实现对系统的计算机控制。

  （5）可靠性好。

由于单片机内部就含有ROM，RAM和I/O端口，这样可以省去很多外部连线，也简化了印刷电路板的设计加工，所以它比用多个芯片构成的微型机的可靠性要高。

  （6）研制周期短，收效快。

通常微型机系统的研制周期都比较长，一个成功的微型机系统从研制，设计，直接受到用户的认可，需要1年甚至几年时间。

但单片机往往结合一个具体系统进行开发，目的单一，容易设计和实现，这样以来，研制周期大大缩短。

由此可以看出，单片机控制的系统具有控制简便，效果明显等很多优点，因此，本次设计也采用单片机来控制。

第三章  设计原理

1  DDS部分

1.1DDS的工作原理

DDS技术的理论依据是奈奎斯特采样定理。

根据该定理，对于1个周期的连续正弦波信号，可以沿着其相位轴的方向，以等量的相位间隔对其进行相位/幅度采用，得到1个周期性的正弦信号的离散相位的幅度序列，并对模拟幅度进行量化，对量化后的幅度采用相应的二进制数据进行编码。

这样就可以把1个周期性的连续正弦信号转换成1系列离散的二进制序列，最后把它存储在只读存储器中，每个存储单元的地址就是相位取样地址，而存储单元的内容即是量化的正弦波的幅度值。

这样的1个只读存储器构成1个与2π周期内相位取样相对应的正弦函数查找表，由于其存储的是1个周期的正弦波波形的幅度值，所以又称其为正弦波波形存储器。

DDS基本原理框图如下：

它主要由标准参考频率源、相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通平滑滤波器构成。

在时钟脉冲的控制下，频率控制字K由累加器得到相应的相码，相码寻址波形存储器进行相码－幅码变换输出不同的幅度编码，再经过数模变换器得到相应的阶梯波，最后经过低通波器对阶梯波进行平滑，即得到由频率控制字K决定的连续变化的输出波形。

其中，参考频率源一般是一个高稳定的晶体振荡器，其输出信号用于DDS中各部件同步工作。

因此，DDS输出的合成信号的频率稳定度与晶体振荡器是一样的。

相位累加器是实现DDS的核心，如下图所示。

                相