1、中国地质大学（武汉）学士学位论文本 科 毕 业 论 文 （ 设 计 ）题目：正弦信号发生器的设计院 （ 系 ） ：机电学院 专业：电子信息工程2012 年 6 月中国地质大学（武汉）学士学位论文本科生毕业论文（设计）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。毕业论文作者（签字）： 签字日期 年 月 日
2、 中国地质大学（武汉）学士学位论文摘 要信号发生器是科研、教学实验及各种电子测量技术中很重要的一种信号源，随着科学技术的迅速发展，对信号源的要求也越来越高：要求信号源的频率稳定度、准确度及分辨率要高、以适应各种高精度的测量。为了满足这种高的要求，各国都在研制一些频率合成信号源，这种信号源一般都是由一个高稳定度和高准确度的标准参考频率源，采用锁相技术产生千百万个具有同一稳定度和准确度的频率信号源，为了达到高的分辨率往往要采用多个锁相环和小数分频技术，因此使电路复杂、设备体积圈套、成本较高，传统的频率合成器由于采用倍频、分频、混频和滤波环节，使频率合成技术（DDS） ，与传统的频率合成技术相比，D
3、DS 具有频率分辨率高、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、便于集成等突出优点、成为现代频率合成技术中的佼佼者，得到越来越广泛的应用，成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。目前使用波形发生器大部分是利用分立元件组成的起体积大，可靠性差，准确度低。本设计介绍一种以 AT89S52、AD9851 为核心器件，配置相应的外设及接口电路，用 C 语言开发完成的 DDS 正弦信号发生器。AD9851 是一款专业级的正弦信号产生器件。它的特点是电路整体结构简单，输出信号波形好，控制简单，而且易于实现程控。此次设计的信号发生器的输出频率范围为：1KHZ100HZ，同时具有频率设置功能
4、，步长为 100HZ，且输出电压幅度在 50 欧姆负载上电压峰峰值不小于 1 伏。我的毕业设计的核心任务是在一定的硬件基础上进行软件的编写。包括后期的整机测试与调试，并且在完成调试之后，进行了 PCB 板的设计并完成 PCB 板的焊接调试。我在毕业设计的论文中用第二、三、四章分别阐述了此次设计的原理、硬件电路设计以及软件设计，并在第五章对此信号发生器进行了测试分析。关键词：单片机，AD9851，DDS中国地质大学（武汉）学士学位论文AbstractSignal generator is a research, teaching experiments and a variety of elec
5、tronic measurement technology is very important as a signal source, with the rapid development of science and technology, demands on the signal source more and more require the signal source frequency stability, higher accuracy and resolution to suit a variety of high-precision measurements, in orde
6、r to meet this high demand, all countries in the development of a number of frequency synthesized signal source, such sources are normally a high stability and high accuracy degree of standard reference frequency source, using phase-locked with the same technologies used to produce millions of a deg
7、ree of stability and accurate frequency signal source, in order to achieve high resolution and often using multiple phase-locked loop fractional-N technology, the circuit complex equipment trap volume, high cost, the traditional frequency synthesizer used as multiplier, divider, mixer and filter lin
8、ks, so that frequency synthesis (DDS), and compared to the conventional frequency synthesis, DDS has a frequency resolution high frequency changes in speed, the output phase continuous, low phase noise, programmable and fully digital, easy integration and other advantages, become a modern leader in
9、synthesizer technology, get more and more widely used, a large number of electronic systems an indispensable component. This article describes a kind of AT89S52 and AD9851 as the core component of the DDS sine wave generator. AD9851 is a highly professional sine signal generation device. It features
10、, as described above, the circuit structure is simple, the output signal waveform is good, control is simple and easy to implement program-controlled. AT89S52 and AD9851 will be detailed in the body of the note. The core mission of my graduation project is writing the software on the base of the har
11、dware. Including the latter part of the whole testing and debugging, and after the completion of the debugging PCB board design and complete the welding of the PCB board debuggingIn my graduate design thesis, I described the principle of the design of hardware circuit and software design in the thir
12、d and forth chapter。The fifth chapter describe the test data obtained from the signal generator.Key words： DDS, MCU, AD9851中国地质大学（武汉）学士学位论文目 录第一章 绪论11.1 课题背景 .11.2 研究现状 .11.3 发展方向 .31.4 毕业设计内容 .3第二章 系统原理分析42.1 正弦信号发生器的基本原理 .42.2 DDS 的基本工作原理 .42.3 DDS 的相关计算 .6第三章 硬件电路设计73.1 系统结构 .73.2 正弦信号发生器方案设计 .73
13、.3 方案论证 .83.4 单片机最小系统模块 .83.4.1 AT89S52 单片机简介 .83.4.2 单片机模块电路图 .103.5 AD9851 及外围模块 .113.5.1 AD9851 芯片简介 .113.5.2 引脚功能描述 .113.5.3 AD9851 的控制字与控制时序 .133.5.4 AD9851 模块电路图 .133.6 LCD 显示模块 .143.6.1 接口信号说明 .143.6.2 基本操作时序 .143.6.3 状态字说明 .143.6.4 LCD 模块电路图 .153.7 电源模块 .15中国地质大学（武汉）学士学位论文第四章 软件程序设计164.1 主程序
14、 .164.2 定时器/计数器 0 中断子程序 .184.3 AD9851 写数据与命令子程序 .20第五章 测试数据及分析235.1 测试使用仪器 .235.2 测试方法 .235.3 测试数据 .245.4 测试结果分析 .28结束语29致谢词30参考文献31附录一 电路原理图32附录二 电路 PCB图33附录三 程序清单34中国地质大学（武汉）学士学位论文中国地质大学（武汉）学士学位论文1 第一章 绪论1.1 课题背景DDS 技术目前已成为频率合成技术发展的主流方向，它高度的集成性，对于简化电子系统的设计方案，降低硬件的复杂程度，提高系统的整机性能意义重大。用这种方法产生线性调频信号及其
15、它复杂波形信号的技术日益受到重视，并得到广泛的应用。近年来，随着直接数字频率合成技术(direct digital frequency synthesis，简称DDS)的发展，基于 DDS 技术的合成信号发生器，在正弦信号源的设计与使用中日益广泛它与以往的射频信号源、锁相信号源和模拟频率合成信号源相比较，其频率分辨率高，指定频率的重复性好，而且易于程序控制DDS 技术的原理主要是通过相位与幅度的对应关系实现的，由于不同的控制字对应相位累加器中不同的相位累加速度，用此速度从正弦幅值表中进行查询，获得指定的幅度序列，最后通过数模转换输出。1.2 研究现状在频率合成（FS, Frequency Sy
16、nthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接数字合成(Direct Digital Synthesis DDS)是近年来新的 FS 技术。单片集成的 DDS 产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS 是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS 以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速 D/A 变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形） ，这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。通过高速 DAC 产生数字正弦数字波形
17、，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。DDS 系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS 的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达 Hz 级，相位控制小于 0.09）,能够进行快速的信号变换（输出 DAC 的转换速率 300 百万次/秒） 。这些特性使 DDS 在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。中国地质大学（武汉）学士学位论文2 其实，以前 DDS 价格昂贵、功耗大（以前的功耗达 Watt 级） 、DAC 器件转换速率不高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。
18、随着数字技术和半导体工业的发展，DDS 芯片能集成包括高速 DAC 器件在内的部件，其功耗降低到mw 级（AD9851 在 3.3v 时功耗为 650mW） ，功能增加了，价格便宜。因此，DDS 也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN 系统、雷达、卫星通信。由于 DDS 的诸多优点，它得到了非常广泛的应用。在数字调制方面，它可以用来实现 FSK，QPSK,8PSK 等调制。在雷达频率源方面，它可以实现多点，窄步长，高相噪的频率源以及线性调频频率源。在扩频通信方面，可以实现 CDMA/FH 工作方式以及任意规律的调频模式。所以，研究 DDS 在各个领域的应用以及
19、实现是一个非常有意义和前途的课题。下文举出了 DDS 的几个具体的应用： DDS 作为分频器在 PLL 中的应用PLL 电路对输入信号相当于一个窄带跟踪滤波器，因此将 DDS 输出信号作为参考信号驱动一个 PLL 后，不但可以大大抑制杂散信号，还可以方便地将频率信 号倍频提高，但采取该方法会使输出信号的相位噪声恶化。而如果在环路中将压控振荡器的输出信号作为 DDS 的输入信号，DDS 在电路中就成为一个分辨率极高的分频器，不仅能利用环路实现杂散抑制，同时也可使输出信号的相位噪声降低，而且由于不必采用高频晶体振荡器，系统成本也会大大降低，并很容易使整个电路采用混合电路工艺进行系统集成 3。 宽带
20、跳频频率合成器设计方案采用 DDS+DS 组合方式，可实现宽带 DDS 频率合成器。它由晶体振荡器、控制电路、DDS 、倍频器、带通滤波器、功率放大器等电路组成，DDS 可选用AD9854 作为频率合成器核心器件，它的系统时钟高达 300MHz，频率分辨率为1mHz，100M 并口编程速率以及较高杂散抑制度。AD9854 的优良性能使超高速频率合成器实现成为可能。晶体振荡器输出经 AD9854 内置的倍频器七倍频后， DDS以七倍晶体振荡频率作为系统时钟。为了简化电路、提高频率切换时间，DDS 输出信号经过一个带通滤波器后，驱动九倍频器链作为频率合成器的输出。带通滤波器 BPF1 后插入的放大
21、器的作用是增加 DDS 输出信号幅度，提高倍频器的效率，同时在两级倍频器后加入两个五阶通滤波器来抑制带外杂散，频率合成器输出信号f0 为 9Fdds。DDS 在雷达和电子对抗中的应用频率捷变雷达是指脉冲载频（脉冲内，脉冲间或脉冲组间)快速有规律或随机 变化的雷达，它比普通雷达具有更强的抗干扰能力，并有增加雷达探测距离、提高跟踪精度、改善角度和距离分辨力以及避免雷达之间相互干扰等优点，近年来得到了广泛重视。频率捷变雷达包括两大类：相参频率捷变雷达和非相参频率捷变雷达。在频率捷变雷达中，由于每次发射出去的脉冲载频在快速变化，为了使混频后的信号为一个固定中频，就要求有一个随磁控管频率快速变化的本振源
22、 ，由于 DDS 具有精度高、转换快、稳定性好等优点，使得本振源具有较高的稳定性 和跟踪精度。中国地质大学（武汉）学士学位论文3 可以广泛应用于相参频率捷变雷达、非相参频率捷变雷达和自适应频率捷变雷达系统中。在电子对抗中，对雷达施放有源干扰，是对雷达进行考验的主要手段之一，这就要求现代干扰机必须性能优良，不断地提高自动化和自适应能力，来达到最佳的目的。将 DS 应用到干扰机中，可以有效地提高其干扰样式的控制能力，使干扰机具有足够快的引导时间等优点。1.3 发展方向近年来随着 GSM、GPRS、 3G、B1ueTooth 乃至己经提出标准的 4G 等移动通信以及 LMDS、无线本地环路等无线接入
23、的发展，同时加上合成孔径雷达、多普勒冲雷达等现代军事、国防、航空航天等在科技上的不断创新与进步，世界各国非常重视频率合成器的发展。所有的这些社会需求以及微电子技术、计算机技术、信号处理技术等本身的不断进步都极大刺激了频率合成器技术的发展。可以预料，随着低价格、高时钟频率、高性能的新一代 DDS 芯片的问世，DDS 的应用前景将不可估量！1.4 毕业设计内容本次毕业设计内容为设计一个正弦信号发生器。发生器的参数要求为：输出频率范围：1Khz100hz；具有频率调整功能，调整步长为 100hz；输出电压幅度：在 50 欧姆负载上电压峰峰值不小于 1 伏。并要求以单片机 AT89S52 控制，DDS 芯片 AD9851 为核心，配置相应的外设及接口电路，用 C 语言开发，完成一个正弦信号发生器。
