1、景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）I本科生毕业设计（论文）中文题目： 数字式函数信号发生器设计 英文题目： A DESIGN OF FUNCTION SIGNAL GENERATOR BASED ON DDS 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）II毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者
2、完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）III注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300 字左右） 、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文
3、、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面
4、上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）IV摘 要直接数字合成是一种新的频率合成方法,是频率合成技术的一次革命,随着数字频率集成电路和微电子技术的发展,直接数字频率合成技术日益显露出它的优越性。本文利用直接数字频率合成器(DDS)与单片机控制技术,研制和设计了高频率、高稳定度的函数信号发生器。在系统总体方案设计中,将 DDS信号发生器分成 8个模块:键盘模块、单片机模块、显示模块、DDS 模块、电源模块、采样保持与 A/D转换模块、低通滤波器模块和
5、放大模块，按模块进行软硬件设计。系统的硬件设计，完成了系统的硬件总体设计,并对具体实现电路进行详细的分析和设计。在系统软件设计中,对系统软件的主要功能按模块进行了介绍。关键词：信号发生器 DDS 单片机 频率 设计景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）VABSTRACTThe Direct Digital Frequency Synthesis is a kind of new frequency synthesis method and also a revolution in the frequency synthesis techniques. With the development o
6、f digital integrated circuits and microelectronic techniques, DDS exhibits its advantages day by day.This Paper introduces a high frequency and high stability signal generator design based on MCU control technology and direct digital synthesis (DDS).In the over all system design, the DDS signal gene
7、rators would be classified into 8 module: keyboard module, single chip module, display module, DDS module,power module,sample and hold module,A/D converse module,low-Pass filter module and amplification module,where both software and hardware design are accomplished according to each module.In the d
8、esign of system hardware,specific analysis and design for how to realize the electric circuits had been carried out.In the design of system hardware,specific analysis and design for how realize the electric circuits had been carried out.In the design of system software,their main functions were intr
9、oduced according to module.KEYWORDS: signal generator; DDS; MCU; frequency; design景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）VI目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III1 绪论 .11.1 选题背景 .11.2 DDS技术的研究现状与发展趋势 .21.3 选题研究的目的及意义 .31.4 研究内容及目标 .42 DDS信号源设计技术基础 .52.1 频率合成技术 .52.1.1 频率合成技术指标： .52.2 直接数字频率合成原理 .62.2.1 DDS结构 .62.2.2 DDS的工作原理 .82.2
10、.3 DDS数学原理 .92.3 DDS性能特点 .112.4 DDS芯片 AD9850 .122.4.1 AD9850简介 .122.4.2 AD9850的控制字与控制时序 .152.4.3 AD9850频率稳定度及频率准确度 .183.1 系统总体硬件框图 .193.2 MCU主控部分硬件设计 .203.2.1 AT89C52的功能和结构 .213.2.2 AT89C52的 I/O口规划 .213.3 AD985O外围电路设计 .233.3.1 晶振的选择 .233.3.2 AD9850电源模块的设计 .24景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）VII3.3.3 AD985O接口电路 .24
11、3.3.4 滤波电路 .263.4 采样保持与 A/D转换电路 .293.4.1采样保持电路 .293.4.2 A/D转换 .303.5 输入输出接口电路设计 .323.5.1 输入接口电路设计 .323.5.2 输出接口电路设计 .333.6 功率放大器 .393.7 电源模块设计 .404.1 软件总体流程 .424.2 系统初始化 .434.2.1 AD9850初始化子程序 .434.2.1 max7219初始化子程序 .434.3 键盘扫描及按键识别子程序 .444.4 波形数据产生 .504.4.1 AD985O控制字的计算 .504.4.2 控制字转化子程序 .514.4.3 控制
12、字传送子程序 .524.5 A/D转换子程序 .534.5八选一子程序（只用六选一） .554.6 其它子程序 .564+1 结论 .574+2 经济分析与报告 .59致谢 .60参考文献 .61附录 A 总程序 .62附录 B 原理图原件清单 .73景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）第 页 共 74 页11 绪论1.1 选题背景在电子技术领域中,经常要用一些信号作为测量基准信号或输入信号,也就是所谓的信号源。信号源有很多种,包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。作为电子系统必不可少的组成部分的信号源,在很大程度上决定了系统的性能,因而常称之为电
13、子系统的“心脏” 。随着电子技术的发展,对信号源的要求越来越高,要求其输出频率高达微波频段甚至更高,频率范围从零 Hz到几 GHz频率分辨率达到 mHz甚至更小,相应频点数更多;频率转换时间达到 ns级:频谱纯度越来越高。同时,对频率合成器功耗、体积、重量等也有更高的要求。而传统的信号源采用振荡器,只能产生少数几种波形,自动化程度较低,且仪器体积大、灵活性与准确度差。而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高,而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。所以要实现高性能的信号源,必须在技术手段上有新的突破。当今高性能的信号源均通过频率合成技术来实现,随着计算机、数字集成电路和
14、微电子技术的发展,频率合成技术有了新的突破,直接数字频率合成技术(Direct Digital Synthesis DDS),它是将先进的数字信号处理理论与方法引入到信号合成领域的一项新技术,它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。同时,随着微电子技术的迅速发展,尤其是单片机技术的发展,智能仪器也有了新的进展,功能更加完善,性能也更加可靠,智能程度也不断提高,直接数字式频率合成技术的出现导致了频率合成领域的一次重大革命。直接数字频率合成器问世之初,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 DD
15、S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。随着微电子技术的迅速发展,直接数字频率合成器得到了飞速的发展,它以有别于其他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。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）第 页 共 74 页2数字化、控制灵活方便等方面,并具有极高的性价比。现已广泛应用于通讯、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。信号发生器是一种常用的信号源,广泛应用于电子测量、自动控制和工程设计等领域。
16、随着电子技术的发展,对信号源频率的稳定度、准确度以及频谱纯度的要求越来越高。DDS(直接数字合成)技术是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,与传统的模拟式波形产生法相比,它具有相位变换连续、频率转换速度快、分辨率高、稳定度高、相位噪声小、便于集成、易于调整及控制灵活等多种优点。基于 DDS技术的信号发生器是一类新型信号源,它已成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。1.2 DDS技术的研究现状与发展趋势自 20世纪 80年代以来各国都在研制 DDS产品,并广泛地应用于各个领域。其中以 ADI公司的产品比较有代表性,如AD7008、AD9850、AD9851、AD9852、AD9
17、858 等。其系统时钟频率从 30MHz到300MHz不等,其中的 AD9858系统时钟更是达到了 1GHz,这些芯片还具有调制功能。如 AD7008可以产生正交调制信号,而 AD9852也可以产生 FSK(Frequency Shift Key)、PSK(Phase Shift Key)、线性调频以及幅度调制的信号。这些芯片集成度高,内部都集成了 D/A转换器,精度最高可达 12bit。同时都采用了一些优化设计来提高性能,如这些芯片中大多采用了流水技术,通过流水技术的使用,提高了相位累加器的工作频率,而使得 DDS芯片的输出频率可以进一步提高。通过运用流水技术在保证相位累加器工作频的前提下,
18、相位累加器的字长可以设计得更长,如 AD9852的相位累加器达到了 48bit。这样输出信号的频率分辨率大大提高了。运用 DDS技术生产的 DDS任意波型信号发生器是较新的一类信号源并且已经广泛投入使用。它不仅能产生传统函数信号发生器能产生的正弦波、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讯信号。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。如 HP公司的 HP33120可以产生 10mHz一 15MHz的正弦波和方波。同时还可以产生 10mHz一 5MHz的
19、任意波形,任意波形深度 16K点。采样率 40M,还具备景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）第 页 共 74 页3了调制功能,可以产生 AM、FM、FSK、碎发、扫频等信号。HP 公司的 HP33250可以产生 1uHz一 80MHz的正弦波和方波,产生 1uHz一 25MHz的任意波形,任意波形深度 64K点,采样率 200M,同时也具备了 AM、FM、FSK、碎发、扫频等功能。BKPRECISION公司的 4070A型函数级任意波形发生器正弦波和方波输出频率 DC一 21.5MHz,频率分辨率 10mHz。同时还具有 AM、FM、PM、SSB、BPSK、FSK、碎发、 DTMF Gener
20、ation和 DTMF Detection的功能,并且具有与 PC机良好的接口,可以通过 window界面的程序进行任意波形的编辑。除了在仪器中的应用外,DDS 在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。通过 DDS可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如:频移键控 (FSK)、一进制相移键控 (BPSK)和正交相移键控(QPSK)。 DDS可以产生两路相位严格正交的信号在正交调制和解中的到广泛应用,是一种很好的本振源。但是 DDS自身的特点决定了它存在着以下两个比较明显的缺点:一是输出信号的杂散比较大,二是输出信号的带宽受到限制。当然随着技术的发展,这些问题正在逐步得到解决,如通过增长波形
21、 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转换器的精度减小 D/A量化误差;在比较新的 DDS芯片中普遍都采用了 12bit的 D/A转换器。当然一味靠增加波形 ROM的长度和字长的方法来减小杂散,对性能的提高总是有限的。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(在 D/A转换器的低位上加扰打破 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)。在本文的第六章也将提到一种抑制 DDS杂散性的方法,即将 DDS与锁相环 (Phase一Locked Loop, PLL)技术相结合。虽然,DDS 技术的出现使得信号源的性能指标得到了飞跃,各种新的产品不断推出,但是,目前市场上的信号源产品大多是通用型的,一般只能产生正弦波等标准波形。而不同领域需要不同的信号源,例如在雷达、通信等领域,就需要短波信号源,要求其具有频移键控、调频、调相等调制功能。所以,在很多应用中,都需要自己设计不同功能的信号源。
