基于单片机的DDS波形发生器.docx
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基于单片机的DDS波形发生器
本科生毕业设计(论文)开题报告
毕业设计题目:
基于单片机的DDS波形发生器
学院:
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
2012年3月22日
基于单片机的DDS波形发生器
一、课题研究的目的和意义
在数字信号处理器飞速发展的今天,微处理器的应用已主领着电子技术领域的潮流,先进的数字信号处理技术,能实现各种复杂的功能。
对正弦波信号发生器而言,数字DDS技术的诞生,使波形发生器技术有了进一步的飞跃。
在许多电子系统中,经常需要用到频率和幅度可调的正弦波信号作为基准或载波信号。
正弦渡信号主要通过模拟电路或DDS(DirectDigitalSynthesis)等两种方式产生.相对于模拟电路,DDS具有相位连续、频率分辨率高、转换速度快、信号稳定等诸多优点,因此,DDS存雷达、通信、测试、仪表等领域得到了广泛的应用
DDS是一项关键的数字化技术。
DDS是直接数字式频率合成器(DirectDigitalSynthesizer)的英文缩写。
与传统的频率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点,广泛使用在电信与电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术。
一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。
频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码;而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加,得到一个相位值;正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度(芯片一般通过查表得到)。
DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波,因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。
正如其基本数学论所表现的,基于数字的信号处理模块在架构上常常会使人联想起以前的模拟模块。
例如,连续时间与离散时间过滤器设计所采用的傅立叶变换与Z变换的并行处理,构成了像“形”与“阶”这样的表达式。
还有许多其他并行结构的例子。
的确,非类似结构在采用线性与数字实现的基本函数中并不常见。
因此,数字电路常常用数字信号来表现模拟电路一般用电压或电流来表示的相同物理现象。
而DDS(又称为NCO(数字控制振荡器))则正相反。
不像大多数频率发生器,DDS不采用可调谐反馈回路,而是直接用数字形式来构造其输出波形。
因为简单,故其结构特别通用,已广泛用于汽车收音机、数据通信系统及医学成像仪等各种设备。
NCO所采用的形式也是多种多样的,例如:
IP(知识产权或专利)、IC、板卡及仪器等,全都能从不同供应商处得到。
DDS的应用范围不仅限于在技术发展中形成的几个有趣的停留点,同时也提出了数字频率合成器所必须满足的要求以及IC与OEM设计者所必须解决的频率合成问题。
NCO具有的优势包括相位连续频率切换与调谐间隔间的幅度恒定等。
这种信号源还能提供数字控制下的精细频率与相位调谐。
对于采用跳频算法的系统,NCO可提供快速跳频且没有明显的下冲与过冲(参考文献1)。
在正交应用中,DDS可以以相当低的成本提供一对具有无与伦比的幅度匹配与相位一致性的I、Q通道。
DDS还能在时间与温度变化条件下提供出色的长期频率与幅度稳定性,且只有很少的参数依赖性。
DDS有如下优点:
1)频率分辨率高,输出频点多,可达N个频点(N为相位累加器位数);
2)频率切换速度快,可达us量级;
3)频率切换时相位连续;
4)可以输出宽带正交信号;
5)输出相位噪声低,对参考频率源的相位噪声有改善作用;
6)可以产生任意波形
二、课题研究的主要任务和预期目标
1.主要任务及要求
设计制作波形发生器并用计算机实现其功能
2.预期目标
能够用电脑实现波形发生器的功能输出波形可以在正弦波、方波及三角波间切换
三、设计方案
1.设计思想
研究了一种基于DDS芯片AD9850和单片机AT89S52的信号发生器系统,能够产生正弦波、三角波和方波三种波形。
该系统频率、幅值均可数控调节,相比传统信号发生器的性能,具有频带宽、频率稳、波形良好、接口简单、编程方便、成本低、易小型化等优点。
2.方案论证
方案一:
DDS技术基本原理
DDS法实现信号发生器的原理框图,如图l所示,主要由相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表、D/A转换器及低通滤波器构成,其中相位累加器是整个DDS的核心,完成相位累加运算。
DDS技术是根据相位间隔对正弦信号进行取样,将所得波形数据存储在定制好的正弦ROM表格中。
频率合成时,相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数,同时将累加器输出的累加相位与频率字输入预置的相位增量相加,以相加后的结果形成正弦查询表的地址;取出表中与该相位对应的单元中的波形数据值,由D/A转换器输出模拟信号,再经低通滤波器使波形平滑,得到符合要求的模拟信号。
相位累加器由一个N位字长的加法器和N位累加寄存器级联而成,加法器可对频率字输入的二进制码进行累加运算,累加寄存器是典型的反馈电路,产生的累加结果作为正弦ROM查找表的下一个取样地址值,把从波形表中取出的数据送到D/A转换器进行转换,最后经过滤波电路输出正弦信号。
相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同,由于相位累加器的相位增量不同,将导致一周期内的取样点数不同,这样输出信号的频率也相应变化(实现变频)。
如果设定累加器的初始相位,则可以对输出信号进行相位控制。
由采样原理可知,如果使用两个相同的频率合成器,并使其参考时钟相同,同时设定相同的频率字输入、不同的初始相位,那么在原理上就具备了实现输出两路具有一定相位差的同频信号的可能性,有效地解决了在一般通信信道中存在的相位不同步问题,这也是DDS技术的显著优点。
基本DDS常用参量计算公式,输出频率为
;频率分辨率为
;频率字输入为
;相位分辨率,即相位最小步进为
。
其中,B△θ是相位增量(频率字);fout是信号输出频率;fclk是时钟频率:
D是杏找表的地址宽度。
只要对相位的量化值进行累加运算,就可得到信号的当前相位值;而用于累加的相位增量量化值B△θ决定了信号的输出频率fout,并呈现简单的线性关系。
直接数字频率合成技术就是根据上述原理而设计的数字控制频率合成器。
3.系统硬件电路设计
(1)AD9850芯片介绍
AD9850是美国AD公司生产的高集成度DDS芯片,采用CMOS工艺,其功耗在3.3V供电时仅为155mW,扩展工业级温度范围为-40~80℃,采用28引脚的SSOP表面封装形式。
该芯片组成原理,如图2所示,内层虚线内是一个完整的可编程DDS系统,外层虚线内包含了AD9850的主要组成部分。
AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。
在125MHz的系统时钟下,AD9850中32位的频率字输入可使输出信号的频率分辨率达到0.029Hz,并具有5位的相位字输入,允许相位按增量180°,90°,45°,22.5°,11.25°或这些值的组合进行调整。
芯片对输入的标准正弦波,进行直接数字合成。
输入信号频率最高为fclk=125MHz,可生成0~fclk/2范围内的任意频率的正弦波和方波。
AD9850在接上时钟电路之后,就可以产生一个频率和幅值都可编程控制的模拟正弦波输出,此正弦波可直接用作信号发生器,或者经过内部的高速比较器转换为方波输出。
(2)硬件电路设计
该信号发生系统是以单片机AT89S52为控制器,以DDS芯片AD9850为核心,通过单片机控制功能芯片来实现频率预置、控制字设置等产生相应的信号输出。
AD9850实现信号发生器功能,微处理器控制D/A转换器,实现各种信号幅值的可调性。
整个信号发生系统的硬件电路主要由单片机及外围控制电路、正弦信号发生器功能电路、积分电路、滤波电路和检测电路等5部分组成,系统框图,如图3所示。
其中键盘采用4×4矩阵式,主要用以设置频率和幅值;波形采用LCDl602液晶显示;LPF低通滤波和积分电路都采用模拟集成芯片LM324实现。
3系统软件设计
系统软件设计采用汇编语言与C语言相结合来编写程序,这样不但提高程序对电路硬件的可控制性,同时也增加了程序的可读和可移植性。
软件模块包括主程序(AT89S52初始化、AD9850初始化、LCDl602初始化)、显示子程序、键盘输入子程序、信号发生与控制子程序4部分组成。
信号发生器系统主程序流程,如图4所示。
图5
3.设计中要解决的主要问题和措施
(要求论证方案的可行性、先进性、经济性及科学性;设计思路和拟采用的方法,课题实现所需要的技术环境、相应的软件及所用的新技术和新器件;硬件框图、软件流程图等。
)
四、课题进度安排
1、第一周至第三周:
熟悉课题、查阅资料
2、第四周到第十周:
运用所查到的资料进行设计
3、第十一周到第十六周调试,
参考文献:
(要求参考文献不少于15篇,外文资料不少于4篇)
[1]尹义龙,宁新宝,张晓梅.自动指纹识别技术的发展与应用.南京大学学报,2002,38
(1):
29~35
[2]孙炳阳.使用89C52单片机的智能IC卡读写器.华侨大学学报,2002,2:
164~167
[3]李朝清.单片机原理及接口技术.北京:
北京航天航空大学出版社,1999.13~109
[4]彭曙蓉,彭楚武,苏深广,等.指纹IC卡在考试身份认证系统中的应用.计算机与现代化,2003,3(10):
85~87
[5]杨光友,朱宏辉,等.单片微型计算机原理及接口技术.北京:
中国水利水电出版社,2004
[6]CoetzeeL.andBothaE.C.Fingerprintrecognitioninlowqualityimages.ProceedingsofTheIEEE,1993,10(26):
1441~1460
排版要求(总字数3000字以上):
1、题目三号字体居中加黑宋体,段前段后0.5行。
2、一级标题4号字,宋体,加黑。
3、二级标题小四号字,宋体。
4、内容小四号字,宋体,行距1.5倍行距。
5、图表注释5号字,宋体。
6、A4纸,边距:
上下2.54厘米,左3.50厘米,右2.5厘米,左侧装订。
7、图表要居中;图题在图下,居中;表题在表上,居中。
8、制导教师评语要求指导教师手写,字数不得少于60个汉字。
指导教师评语:
指导教师签字:
年月日
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