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低频信号发生器设计论文
保密类别 编号 20100802090
武汉大学珞珈学院
毕业论文
低频信号发生器
系别 电子信息科学系
专业 通信工程
年级 10级
学号 20100802090
姓名 彭梦蝶
指导老师 邓仁清
武汉大学珞珈学院
2014年4月20日
摘要
信号发生器是现代电子系统的重要组成部分,是决定电子系统性能的关键设备之一。
信号发生器输出频率低于1MHz又称为低频信号发生器。
随着电子技术的不断发展,对信号发生器的要求也越来越高,传统的模拟信号发生器已经远远不能满足要求,而直接数字合成技术的出现,给现代电子技术带来了新的生机。
但因其数字化本身的特点,仍存在输出频带范围有限,输出杂散大的特点。
因此,解决这方面的问题就显得尤为重要。
本文基于DDS和AT89C52组成的单片机系统进行硬件和软件的设计,实现低频信号源的产生。
本系统主要由硬件和软件两部分组成。
DDS低频信号合成器工作稳定,易于实现,输出频率分辨率高可以满足人们的要求。
因此,基于DDS的低频信号发生器设计具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景。
论文介绍了频率合成的概念、发展以及直接数字频率合成技术(即DDS技术)的现状和发展趋势。
在认真分析了DDS的工作原理及其基本结构的基础上,设计了一种结构简单性能优良的DDS低频信号发生器。
信号发生器的硬件部分包括三个模块,分别是信号产生和控制模块、人机交互模块和信号处理模块。
关键词:
信号发生器DDSAD9851单片机频率合成
TheDesignOfLowFrequencySignalGenerator
Abstract
SignalGeneratorisamodernelectronicsystemisanimportantpartoftheelectronicsystemistodeterminetheperformanceofkeyequipment.Thesignalgeneratoroutputfrequencyislowerthan1MHz,alsoknownaslowfrequencysignalgenerator.Withthedevelopmentofelectronictechnology,thesignalgeneratorareincreasinglyhighrequirements,thetraditionalanalogsignalgeneratorhasbeenfarcannotmeettherequirements,andthedirectdigitalsynthesistechnology,hasbroughtnewvitalitytothemodernelectronictechnology.Butduetothecharacteristicsofdigitalitself,thereisstilllimitedoutputfrequency,outputspuriousfeatureslarge.Therefore,itisimportanttosolvethisproblem.ThedesignofthehardwareandsoftwareofSCMsystembasedonDDSandAT89C52,therealizationoflowfrequencysignalsource.Thissystemmainlyconsistsoftwoparts:
hardwareandsoftware.DDSfrequencysynthesizerisstable,easytoimplement,theoutputhighfrequencyresolutioncanmeettherequirementsofthepeople.Therefore,itisofimportantpracticalsignificanceandbroadapplicationprospectsofthedesignoflowfrequencysignalgeneratorbasedonDDS.
Thispaperintroducestheconcept,developmentoffrequencysynthesisanddirectdigitalfrequencysynthesistechnology(DDSTechnology)statusanddevelopmenttrend.InacarefulanalysisofthebasicprincipleandthebasicstructureofDDS,designsasimplestructureandexcellentperformanceofDDSlowfrequencysignalgenerator.Thehardwareofthesignalgeneratorconsistsofthreemodules,respectivelyisthecontrolmodule,human-computerinteractionmoduleandsignalprocessingmodule,signalgeneration
Keywords:
SignalGeneratorDDSAD9851Single-chipmicrocomputerfrequencysynthesizer
第1章绪论
随着现代电子技术的发展,在自动化系统、通信系统,电子对抗以及各种电子测量技术中,我们常常需要一个高精度、频率可变的信号源,因此传统的模拟信号源已经远远不能满足要求。
近年来随着直接数字频率合成技术(DirectDigitalFrequencySynthesis,简称DDS)的发展,DDS技术所具有的频率分辨率高、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、便于集成等优点,使DDS信号发生器的设计与应用成为电子电路设计的重要课题。
1.1研究背景
信号发生器作为电子领域不可缺少的测量工具,它必然将向更高性能,更高精确度,更高智能化方向发展。
因此完整的信号发生器的设计具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景,不同的设计方法将直接影响信号发生器的整体设计水平。
信号发生器频率合成的方式有三种:
模拟直接合成法(即传统频率合成法)、直接数字频率合成法(即DDFS,简称DDS)和锁相环频率合成法。
本文将主要介绍直接数字频率合成法。
直接数字频率合成技术(DirectDigitalFrequencySynthesis,即DDFS,简称DDS)。
它采用全数字方法,从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。
目前,实现DDS技术的方法主要有两种:
采用FPGA构成DDS和采用集成DDS芯片。
利用FPGA构成DDS可以根据需要方便地实现各种比较复杂的功能,具有良好的使用性能,但是利用FPGA设计的DDS电路采用全数字式编程结构,不可避免的引入杂散,因此输出的杂散干扰相对较大。
就合成信号的质量而言,由于专用DDS集成芯片采用特定的集成工艺,内部数字信号抖动很小,可以输出很高质量的模拟信号。
因此,直接采用集成DDS单片芯片设计合成信号发生器越来越成为主流设计。
1.2课题研究的目的和意义
信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器,广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。
随着电子信息技术的发展,对其性能的要求也越来越高,如要求频率稳定性高、转换速度快,具有调幅、调频、调相等功能,另外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率,同时要有确定的相位差。
因此,对更高性能的信号发生器的设计与研究具有重要意义。
随着数字信号处理和集成电路技术的发展,直接数字频率合成(DDS)的应用也越来越广泛。
DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点,而可编程逻辑器件(FPGA)具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点,因此可以快速地完成复杂的数字系统。
但由于模拟调相方法有生产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺点,采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍。
由于现在许多DDS芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能,使用更为简单方便。
因此,采用DDS芯片的DDS信号发生器设计方案已成为目前信号发生器设计的主流方案。
1.3国内外的研究状况
当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。
自80年代以来各国都在研制DDS产品,随着基础电路制造工艺的逐步提高,通过采用先进的工艺和低功耗的设计,DDS的工作速度已经有了很大的提高并广泛的应用于各个领域。
其中以AD公司的产品比较有代表性。
如AD7008,AD9850,AD9851,AD9858,AD9953等,其系统时钟频率从30MHz到1GHz不等。
这些芯片还具有调制功能,如AD7008可以产生正交调制信号,AD9852可以产生FSK、PSK、线性调频以及幅度调制的信号。
芯片内部采用了优化设计,大多采用了流水技术,提高了相位累加器的工作频率,进一步提高了DDS芯片的输出频率。
通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下,相位累加器的字长可以设计的更长,如AD9953的相位累加器达到了32位。
同时为了抑制杂散,这些芯片大多采用了随机抖动法提高无杂散动态范围。
运用DDS技术生产的任意波形信号发生器是一类较新的信号源并已经广泛投入使用。
它不仅能产生传统函数信号器能产生的正弦波、方波、三角波、锯齿波,还可以产生任意编辑的波形。
由于DDS的自身特点,还可以很容易的产生一些数字调制信号,如FSK、PSK等,一些高端的信号发生器甚至可以产生通信信号。
同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高.
虽然DDS技术的应用日益广泛,但是目前可以产生多种通信信号的仪器数量很少而且价格非常昂贵,在现代的通信对抗和无线电监测研究中,人们多使用的是基于DDS技术的任意波形发生器,使用前需将所需波形的数据输入仪器,过程比较繁琐,信号参数改变时需重新产生和输入数据,操作也不很方便,使DDS技术的使用受到了限制。
如何合理地基于DDS技术研制出一种新型的结构简便、易于操作、成本低廉的信号发生器是本文的主要内容。
由于DDS的自身特点决定了它存在以下两个比较明显的缺点:
一是输出信号杂散比较大,二是输出信号的带宽受到限制。
DDS输出杂散比较大这是由于信号合成过程中的相位截断误差、D/A转换器的截断误差和D/A转换器的非线性造成的。
随着技术的发展这些问题正在逐步得到解决。
如通过增加波形ROM的长度减小相位截断误差,通过增加波形ROM的字长和D/A转换器位数来减小D/A转换器产生量化误差。
最新的DDS芯片中采用了14bit的D/A转换器。
国内外学者在对DDS输出的频谱做了大量的分析以后,总结出了误差的频域分布规律建立了误差模型,在分析DDS频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法,可以通过采样的方法降低带内误差功率,可以用随机抖动法提高无杂散动态范围即在D/A转换器的低位上加干扰打破DDS输出的周期性,从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化。
为了进一步提高DDS的输出频率,产生了很多DDS与其他技术结合的频率合成方法。
如当输出信号是高频窄带信号的时候可以用混频滤波的方法扩展DDS的输出,也可以利用DDS的频谱特性来产生高频信号,如输出它较高的镜像频率。
DDS和PLL相结合的方法也是一种有效的方法。
这种方法兼顾了两者的优点,既有较高的频率分辨率,又有较高的频谱纯度。
DDS和PLL相结合一般有两种实现方法:
DDS激励PLL的锁相倍频方式和PLL内插DDS方式。
1.4设计基本要求及应完成的成果形式
本课题需要全面理解低频信号发生器的基本概念与主要组成部分,介绍信号发生器的类型,讨论电路的工作原理;认真学习和研究DDS这项新技术,广泛阅读有关DDS信号发生器设计的文献和资料,完成DDS信号发生器的设计,其基本要求如下:
(1)波形频率:
正弦信号产生部分为100Hz-1kHz,1kHz-10kHz,10kHz-100kHz3个波段连续可调;
(2)输出功率:
正弦信号经放大后,输出功率
0.1W;
(3)输出电阻:
低频信号发生器的输出电阻
100
;
(4)功能要求:
最大输出正弦波输出功率
0.1W不失真。
本课题需要完成DDS信号发生器的总体设计、电路的制作与调试、软件系统的设计与调试,并给出必要的测试结果。
第2章系统总体方案设计及原理分析
2.1方案论证与选择
方案一∶采用集成电路MAX038构成的函数波形发生器。
利用MAX038单片集成电路能产生正弦波、矩形波(含方波)、三角波和锯齿波,输出波形可以人工设定,也可以由微机或其他数字手段控制;频率范围很宽,从0.1Hz~20MHz,频率设定分为粗调和细调两种;但调节频率需改变振荡电容充、放电电流,及改变FADJ端的电位,波形频率连续调节过程比较繁琐,操作不便。
方案二:
采用基于FPGA芯片的解决方案。
利用FPGA则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能,具有良好的实用性,虽然FPGA能输出较高质量的信号,但信号精度有一定的误差,且实现起来过程比较繁琐,对编程有很高的要求。
方案三:
采用高性能DDS集成芯片的解决方案。
随着微电子技术的飞速发展,目前市场上性能优良的DDS产品不断推出,AD9851是AD公司1996年推出的高集成度DDS频率合成器,采用了先进的DDS技术。
AD9851可产生一个频谱纯净、频率和相位都可程控的正弦波信号输出。
AD9851不仅外围电路简单,而且其接口控制也很简单,可以用8位并行口或1位串行口直接输入频率、相位等控制数据,对于编程技术要求不高。
32位频率控制字,在180MHz的时钟控制下,输出频率分辨率达0.04HZ。
先进的CMOS工艺使AD9851不仅性能指标一流,而且功耗少,在3.3V供电时,功耗仅为155mW。
扩展工业级温度范围为-40~+85摄氏度。
通过对这三种方案的认真分析和比较,考虑到AD9851集成DDS芯片的优越性能,结合实际情况,本次设计采用基于AD9851的DDS信号发生器设计方案。
2.2系统总体方案设计
本系统采用DDS集成芯片的全数控函数信号发生器设计方案。
根据输出正弦波信号的频率带宽和幅度的要求,选用了美国AD公司的AD9851芯片;通过单片机控制和处理AD9851的32位频率控制字,再经放大、滤波后加至以纯电阻网络的DAC7811为核心的数字衰减网络,从而实现了信号幅度、频率以及输出等选项的全数字控制。
基于DDS的信号发生器系统框图如图2.1所示。
本系统主要由单片机系统板、DDS直接频率信号合成器、低通滤波器,程控衰减电路、功率放大电路等部分组成。
单片机系统是整个系统控制部分,完成对键盘进行扫描读入频率,幅度信息,频率信息经转换后输出到芯片AD9851等功能。
AD9851产生对应频率的正弦波,通过差分放大电路对正弦波信号进行放大;利用滤波电路,改善DDS输出频谱的杂散,使其输出频谱更加纯净;通过幅度控制电路调节正弦波输出幅度;通过功率放大电路增加输出电流,增强系统带负载能力。
用户从仪器面板上按键输入命令,键盘输入的数字信息经AT89C52控制的LCD1602显示。
单片机控制DDS芯片输出信号,通过后级信号调理电路,输出所需的信号。
整个系统实现了正弦波信号输出、频率预置,具有良好的人机交互功能。
2.3DDS技术的基本原理
DDS的基本工作原理是在采样时钟信号的控制下,通过由频率码控制的相位累加器输出相位码,将存储于只读存储器的波形量化采样数据值按一定的规律读出,经D/A转换和低通滤波后输出正弦信号。
其主要组成为:
相位累加器、相位相加器、波形存储器、数字相乘器和D/A转换器。
下面就AD9851如何实现正弦波来介绍DDS的基本原理,如图2.2所示。
图2.2中层虚线内是一个完整的可编程DDS系统,外层虚线内包含了AD9851的主要组成部分。
AD9851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。
可编程DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。
每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加。
相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。
正弦查询表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。
查询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D/A转换器以输出模式量。
相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次,相位地正弦查询表每一个循环也回到初始位置,从而使整个DDS系统输出一个正弦波。
输出的正弦波周期To=Tc*2N/M,频率fout=M*fc/2N,Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。
AD9851采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表,查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC,DAC再输出两个互补的电流。
D/A转换器满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节,调节关系为ISET=32(1.148V/RSET),RSET的典型值是3.9kΩ。
将DAC的输出经低通滤波后接到AD9851内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动很小的方波。
AD9851在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之间后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出,此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。
在180MHz的时钟下,32位的频率控制字可使AD9851的输出频率分辨率达0.0291Hz;并具有5位相位控制位,而且允许相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或这些值的组合进行调整。
2.4DDS的工作特点
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。
第3章系统的硬件电路设计
本课题的功能电路与相关部件较多,为了便于研制期间的调试与最终成品的产业化,系统采用了模块化的思想进行设计。
先把各个相关的电路与部件做成相互独立的分离模块,而系统的功能则是通过各模块间的级联来完成的。
下面将分别叙述各功能模块及其中所用到的器件、电路以及在系统设计、调试过程中应该注意的问题。
3.1单片机控制电路
AT89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品,它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机,属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征,它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统,属于89C52增强型单片机版本,集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能,适合于类似马达控制等应用场合。
AT89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器(ROM)32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内时钟振荡电路。
此外AT89C52还可工作于低功耗模式,可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下,保存RAM数据,时钟振荡停止,同时停止芯片内其它功能。
AT89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。
3.1.1单片机与键盘的接口
XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端,XTAL2则是输出端,使用外部振荡器时,外部振荡信号应直接加到XTAL1,而XTAL2悬空。
内部方式时,时钟发生器对振荡脉冲二分频,如晶振为12MHz,时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。
电容取30PF左右。
AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。
片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容C20、C21接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C20、C21虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性,这里采用电容30pF,晶振采用11.0592MHz。
AT89C52的外部复位电路有上电自动复位和手动按键复位。
上电复位电容充电来实现。
手动按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。
按键电平复位电路是在普通RC复位电路的基础上接一个有下拉电阻10k、上拉电容10μf接VCC,电源由开关接至复位脚(和上拉电容并联),上拉电容支路负责在“上电”瞬间实施复位;开关通过10k下拉电阻分压器,保证对单片机实施按键电平复位。
电路图如3.1图所示。
图3.1单片机控制电路原理图
单片机通过CD4068与按键相连,从而用按键来控制单片机内部指令的发送。
电路图如3.2所示。
图3.2单片机与键盘的电路连接图
3.1.2单片机与液晶的接口
(1)LCD1602的主要性能
1602型LCD可以显示2行
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