基于DDS技术的数控信号发生器的设计【开题报告+文献综述+毕业论文】

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本科毕业论文系列开题报告电子信息工程基于DDS技术的数控信号发生器的设计一.课题研究意义及现状直接数字频率合成DDS(DigitalDirectFrequencySynthesis)是一种新的频率合成方法,是频率合成的一次革命。但是限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制,DDS并没有得到足够的重视,随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展,使得数字频率合成技术得到了质的飞跃,它在相对带宽、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,已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。但是由于DDS数字化实现的固有特点,决定了其输出频谱杂散较大，从20世纪80年代末开始通过深入的研究认识了DDS杂散成因及其分布规律后,对DDS相位累加器进行了改进,ROM数据进行了压缩,使用了抖动注人技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进。这些改进技术促使了AD、Qualcomm、stanford等公司一系列优良的DDS器件不断出现。但工艺的完善并没有彻底解决DDS中DAC的瞬态毛刺和非线性这些固有缺陷,而这些问题还会随着温度变化和电路工艺引人的数字噪声等发生随机变化,他们所带来的输出信号频谱质量劣化很难改善。目前为止,DDS输出的频谱杂散很少有做到-60dBc以下的产品,一般比较好的产品都在-70dBe左右。近几年来,随着DDS技术的不断完善和发展,其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高,出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能,应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域。二.课题研究的主要内容和预期目标主要内容:设计DDS技术的数控信号发生器。基本要求：(1)DDS输出频率为1Hz-10MHz的正弦信号。(2)为了增加频率控制方式的多样性，设计频率控制的3种方式：点频，扫频，跳频，默认时为跳频。(3)要求输出信号的幅度可以调节。(4)具有功能按键及LED亮灯标志，同时液晶显示器上显示相应的功能，及频率的大小。预期目标: 利用单片机控制DDS芯片产生正弦信号，同时为了使的功能更加完善，增加点频，扫频，跳频功能。先进行硬件设计，再把编写的相应程序下载，调试，最后通过示波器观察输出波形。三、课题研究的方法及措施本设计可以以FPGA、系统硬件等多种方法，主要完成单片机控制、液晶显示及键盘操作部分的程序。利用DDS技术老实现对输出信号频率/相位的调节，实现多种频率功能。在此基础上，还需要查询资料掌握液晶屏幕的显示控制、键盘输入功能等技术，学会运用C语言开发液晶、键盘控制程序。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。补偿晶振键盘输入单片机51系列AD9850液晶显示低通滤波信号模块：采用AD9850控制模块：采用单片机51系列显示模块：采用液晶显示输入模块：采用4*4键盘输入为了减少电路连线,AD9850与单片机之间采用串行连接方式,参考时钟由125MHZ的晶体振荡器产生。DDS信号输出频率为，只要更改频率控制字即可得到不同频率的正弦信号。扫频信号的产生是采用单片机定时更改AD9850的频率控制寄存器的值，从而得到不同频率的信号;点频信号的产生，把键盘输入的值更改AD9850的频率控制寄存器值，从而产生规定的频率信号。由于AD9850产生的信号强度比较小，需将信号经过放大滤波后输出。键盘用于设置扫频信号的起始、截止频率和步进值。液晶显示是显示工作模式，以及频率值。四.课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年9月至2011年5月。第7至第13周——毕业设计前期第7周：指导教师讨论、确定设计选题。第8周：召开毕业设计动员推进会，下达毕业设计工作计划；学生完成选题；学生确定指导教师及设计任务类型，学习毕业设计指导手册及毕业设计成果规范。第9-10周：学生收集设计背景相关资料，做好开题前准备。 第11-13周：指导教师下达详细的设计任务书；完成毕业设计开题论证工作；学生完成递交文献综述、外文翻译、开题报告。五.参考文献[1]白居宪.直接数字频率合成［M］.西安：西安交通大学出版社2007.7[2]潘琢金.C8051F020/1/2/3混合信号ISPFLASH微控器数据手册［M］.沈阳：沈阳新华电子有限公司，2002[3]苏文平著.电子电路应用实例精选[M].北京航空航天大学出版社,2000.5(94-95)[4]石寅.我国在芯片研究领域的突破性进展一直接数字频率合成芯片[J].半导体研究所,2000(4)[5]万心平,张厥盛,郑继禹.锁相技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.[6]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005[7]林青.DDS在数字调制中的应用[J].无限电工程，2001[8]李朝青．单片机原理及接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005[9]D.A.Sunderland,R.A.Strauch,S.S.Wharfield,H.T.PetersonandC.R.Cole,BCMOS/SOSFrequencySynthesizerLSICircuitforSpreadSpectrumCommunications[J],^IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.19,1984,pp.497–505,Aug.[10]A.Bellaouar,M.S.O_brecht,A.M.FahimandM.I.Elmasry,BLow-PowerDirectDigitalFrequencySynthesisforWirelessCommunications[J],^IEEEJ.Solid-StateCircuits,vol.35,2000,pp.385–390. 毕业论文文献综述电子信息工程数控信号发生器综述摘要：随着数字集成电路、微电子技术和EDA技术的深入研究，DDS技术以其有别于其它频率合成技术的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS的主要优点是它的输出频率、相位和幅度能在数字处理器的控制下精确而快速的变换。其他固有的特征，包括极微小的频率调谐与相位分辨率能力，和在两个频率之间的跳跃能力。这些技术在高端技术和军事技术，如雷达，以及通信系统中已成为普遍的应用技术。但是因为价格昂贵，耗电量大，难以实现，而且需要一个独立的高速Ｄ／Ａ变换器。因为信号是数字形式的，通过用数字信号处理方法，对ＤＤＳ进行编程很容易实现不同的调制形式，合适的信道带宽，跳频和数据速率。关键字：DDS技术数字信号信道带宽跳频数据速率1.数控信号发生器概述直接数字频率合成技术(directdigitalsynthesizer，DDS)是在20世纪7O年代由Ｊ．Ｔierney,C.M.Rader和B.Gold,在论文《ADigitalFrequencySynthesizer》中提出的，可以利用数字可控振荡器技术，直接用数字信号控制产生高精度频率信号，频率分辨率可以达到LHz，和传统的直接频率合成(Ds)、锁相环间接频率合成（PLL），FNPLL合成和PSG单环路合成相比较，DDS的主要优点是它的输出频率、相位和幅度能在数字处理器的控制下精确而快速的变换。其他固有的特征，包括极微小的频率调谐与相位分辨率能力，和在两个频率之间的跳跃能力。2.数控信号发生器的意义和发展历史1971年,美国学者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中新的频率合成原理,称之为直接数字频率合成器(DDS)。这是频率合成技术的一次重大革命。但是限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制,DDS并没有得到足够的重视,随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展,使得数字频率合成技术得到了质的飞跃,它在相对带宽、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,已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。但是由于DDS数字化实现的固有特点, 决定了其输出频谱杂散较大，从20世纪80年代末开始通过深入的研究认识了DDS杂散成因及其分布规律后,对DDS相位累加器进行了改进,ROM数据进行了压缩,使用了抖动注人技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进。这些改进技术促使了AD、Qualcomm、stanford等公司一系列优良的DDS器件不断出现。但工艺的完善并没有彻底解决DDS中DAC的瞬态毛刺和非线性这些固有缺陷,而这些问题还会随着温度变化和电路工艺引人的数字噪声等发生随机变化,他们所带来的输出信号频谱质量劣化很难改善。目前为止,DDS输出的频谱杂散很少有做到-60dBc以下的产品,一般比较好的产品都在-70dBe左右。近几年来,随着DDS技术的不断完善和发展,其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高,出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能,应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域3.数控信号发生器研究现状及发展趋势随着这些年来我国对超大规模集成电路的重视以及各大院校研究所的努力,相继出现了许多DDS方面的研究论文,走上了逐步发展的道路,但是在这些大量的文献之中主要是运用DDS去实现许多良好的功能或者是对其性能指标作详细的分析再加以改进提高,然而几乎是没有关于如何设计DDS芯片或者是有自己的DDS芯片诞生,因此我国在DDS的研究上与国际水平还是有很大的差距。随着近几年来我国芯片产业的快速发展,对DDS的研究已经有了突破性的进展以上所述大都是基于ROM查询法,而我国利用自主知识产权的DACIP核设计和电路高速工作的设计技术,研发出0.35μm工艺硅(Si)基CMOS方式,2GHz合成时钟频率的ROM–Less直接数字频率合成芯片。又从原理分析到芯片设计及流片验证完整地研发出融人过采样艺/△技术的新型高分辨率直接数字频率合成芯片,该工作受到国际同行的重视与好评。近年来随着GSM,GPRS,3G,BlueTooth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人的发展,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,我国正朝着这个方向逐步前进! 4数控信号发生器的基本原理直接数字频率合成的理论依据是时域抽样定理,即一个频带限制在(0,fc/2)范围内的时间信号f(t),如果以Tc二1从秒的间隔对他进行等间隔抽样,则信号将被所得到的抽样值完全确定。也就是说,此信号f(t)可以由其采样值完全恢复过来。DDS正是基于这样一个原理而形成的,他将一个阶梯化的信号(即采样信号)通过一个理想的低通滤波器,就得到原始的连续信号f(t)。DDS系统的基本原理图5数控信号发生器的设计方案5.1基于FPGA的数控信号发生器目前市场上可以见到很多采用先进CMOS工艺生产的高性能和多功能的专用DDS芯片，但是在某些场合，专用DDS芯片在控制方式、频率控制等方面与系统的要求差距很大，这时用FPGA按照自己的需要来“定制”DDS电路，是一个很好的解决方案。FPGA能达到较高的系统时钟频率，用它实现DDS电路，其输出频率可接近与时钟频率；还可以根据需要实现各种复杂的调频、调相、调幅功能，具有良好的实用性和可控性。采用这种方法设计的DDS具有集成度高、电路设计简单、功耗低、分辨率高等特点，具有相当大的灵活性和很高的实用价值。5.2DDS信号发生器系统硬件DDS信号发生器系统硬件框图首先由键盘键入功能选择键，如果是方波则要加入占空比，最后键入频率值，单片机会对键盘键入的值进行处理，在显示模块上显示频率，并计算生成频率控制字传输给EP1K30 。下面的主要工作将由EP1K30来完成，其将单片机送入的频率控制字送到相位累加器进行处理，形成频率值和初始相位。同时不断地查找波形存储器ROM生成数字波形，再进行数模转换生成模拟的波形，最后再通过低通滤波器生成最终我们所期望得到的波形。5.3基于SOPC的数控信号发生器4-1DDS频率合成器框图DDS频率合成器由晶体振荡器、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30MHz,频率分辨率为1Hz,10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7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9倍频器链作为频率合成器的翰出。带通滤波器BPFI后插人的放大器的作用是增加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人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9xfnDs。6.总结通过对数控信号发生器的结构的分析，让我们在以后的设计中能够更加深入具体的理解和运用，不过我们也不能直接的套用，要有针对性的把理论和实际结合起来。为以后设计和调试的过程中出现问题时候能够从本质出发去检查。总而言之，系统设计简单，程序简洁易懂，外观设计美观实用一直是我们努力的方向。参考文献：[1]白居宪.直接数字频率合成[M].西安交通大学出版社2007.7[2]潘琢金译.C8051F020/1/2/3混合信号ISPFLASH微控器数据手册[M].沈阳：沈阳新华电子有限公司，2002[3]李炎清《毕业论文写作与范例》[J]厦门：厦门大学出版社。2006.10[4]石寅.我国在芯片研究领域的突破性进展一直接数字频率合成芯片[J].半导体研究所,2000(4)[5]万心平,张厥盛,郑继禹.锁相技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995. [6]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005[7]林青.DDS在数字调制中的应用[J].无限电工程，2001[8]李朝青．单片机原理及接口技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005 本科毕业设计（20届）基于DDS技术的数控信号发生器的设计 摘要近几年来,随着DDS技术的不断完善和发展,其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高,出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能,应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域。文章选择利用DDS技术，利用单片机控制DDS芯片AD9850产生正弦信号，同时为了使的功能更加完善，增加点频，扫频，跳频功能。先进行硬件设计，再把编写的相应程序下载，调试，最后通过示波器观察输出波形。DDS输出频率为1Hz-10MHz的正弦信号。关键词：信号发生器；DDS；函数；硬件；波形 AbstractInrecentyears,withtheDDStechnology,continuousimprovementanddevelopment,theoutputfrequency,spurious,phasenoise,powerconsumption,integration,andotherperformanceindicatorshavebeengreatlyimprovedoverearlierproducts,therehasbeenaseriesofexcellentproducts.Becauseofitssyntheticandsignalmodulationinthefrequencyandsoonoutstandingperformance,rangeofapplicationshasbeenextendedtocommunications,aerospace,remotetelemetry,instrumentationandotherelectronics.SelecttheoptionofusingDDStechnologyarticles,MicrocontrollerchipusingDDSAD9850Sinesignal,andinordertomakemoreperfectthefunctionofanincreasepointfrequencysweep,frequency-hoppingcapabilities.Firsthardwaredesign,thenwritethecorrespondingprogramdownload,debug,andfinallythroughtheoscilloscopeoutputwaveform.DDSoutputfrequencyis1Hz-10MHzsinusoidalsignal.KeyWords:Signalgenerator;DDS;Function;Hardware;Waveform 目录1引言12总体设计22.1本设计任务22.2方案比较23硬件设计43.1DDS原理43.2AD9850芯片介绍53.3滤波器63.4单片机系统C8051F005103.5按键113.6显示114软件设计134.1主程序部分134.2AD9850初始化流程164.3串行发送流程174.4扫频时间控制程序设计185制作和调试216结论22致谢23参考文献24附录1系统实物图25附录2实验原理图26附录3毕业设计作品说明书27 1引言信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。1971年,美国学者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中新的频率合成原理,称之为直接数字频率合成器(DDS)[7]。这是频率合成技术的一次重大革命。但是限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制,DDS并没有得到足够的重视,随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速发展,使得数字频率合成技术得到了质的飞跃,它在相对带宽、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,已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。但是由于DDS数字化实现的固有特点,决定了其输出频谱杂散较大，从20世纪80年代末开始通过深入的研究认识了DDS杂散成因及其分布规律后,对DDS相位累加器进行了改进,ROM数据进行了压缩,使用了抖动注人技术以及对DDS工艺结构和系统结构进行了改进。这些改进技术促使了AD、Qualcomm、stanford等公司一系列优良的DDS器件不断出现[1]。但工艺的完善并没有彻底解决DDS中DAC的瞬态毛刺和非线性这些固有缺陷,而这些问题还会随着温度变化和电路工艺引人的数字噪声等发生随机变化,他们所带来的输出信号频谱质量劣化很难改善[2]。目前为止,DDS输出的频谱杂散很少有做到-60dB以下的产品,一般比较好的产品都在-70dB左右。近几年来,随着DDS技术的不断完善和发展,其输出频率、杂散、相位噪声、功耗、集成化等各项性能指标较早期产品已有大大提高,出现了一系列的优秀产品。由于其在频率合成以及信号调制等方面出色的性能,应用范围已扩展到通信、宇航、遥控遥测、仪器仪表等各项电子领域[1]。 2总体设计2.1本设计任务(1)DDS输出频率为1Hz-10MHz的正弦信号。(2)为了增加频率控制方式的多样性，设计频率控制的3种方式：点频，扫频，跳频，默认时为跳频。(3)要求输出信号的幅度可以调节。(4)具有功能按键及LED亮灯标志，同时液晶显示器上显示相应的功能，及频率的大小。2.2方案比较根据题意，信号发生器要产生一个正弦波，还要实现频率控制的多样性，为了使本设计的稳定性、精确性与实用性等方面，描述了下面三种方案进行比较。方案一：该方案采用单片机的定时器产生信号，由于定时器的定时时间只能是整数，因此，不可避免会在一些频率点上产生误差，为此，用Excel对计数值、真实频率值作了测算，经过测算表明，当采用12M晶振时，绝对误差最大约0.12HZ（492Hz处），相对误差最大约0.024%（492Hz处）。当然，这仅是理论值，考虑到单片机定时中断的响应时间等因素，实际的误差肯定要比这个计算值大，但是要达到±1%的精度要求并不难，而其长期工作的稳定性取决于晶振的稳定度，并且晶振频率的变化引起的输出频率的变化也很微小，因此其长期工作稳定性也很好。但此方案较繁琐，波形也不稳定[14]。方案二：目前市场上可以见到很多采用先进CMOS工艺生产的高性能和多功能的专用DDS芯片，但是在某些场合，专用DDS芯片在控制方式、频率控制等方面与系统的要求差距很大，这时用FPGA按照自己的需要来“定制”DDS电路，是一个很好的解决方案。FPGA能达到较高的系统时钟频率，用它实现DDS电路，其输出频率可接近与时钟频率；还可以根据需要实现各种复杂的调频、调相、调幅功能，具有良好的实用性和可控性。采用这种方法设计的DDS具有集成度高、电路设计简单、功耗低、分辨率高等特点，具有相当大的灵活性和很 高的实用价值[10]。方案三：采用通用的51单片机C8051为主控制器，AD9850与单片机之间采用串行连接方式,参考时钟由125MHZ的晶体振荡器产生。DDS信号输出频率为，只要更改频率控制字即可得到不同频率的正弦信号。扫频信号的产生是采用单片机定时更改AD9850的频率控制寄存器的值，从而得到不同频率的信号;点频信号的产生，把键盘输入的值更改AD9850的频率控制寄存器值，从而产生规定的频率信号。由于AD9850产生的信号强度比较小，需将信号经过放大滤波后输出。键盘用于设置扫频信号的起始、截止频率和步进值。液晶显示是显示工作模式，以及频率值。原理图如图2-1。补偿晶振键盘输入单片机51系列AD9850液晶显示低通滤波图2-1信号发生器原理图比较结论：从题目要求来看，上述三种方案都可以满足题目合成频率范围的要求，但信号发生器产生的频率稳定度、精确度都不如DDS合成的频率，锁相频率合成技术很难将波形频谱显示无杂波，所以选择DDS芯片的方案进行本方案。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。 3硬件设计3.1DDS原理DDS技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC转换成模拟量形式的信号合成技术。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速DAC产生已经用数字形式存入的正弦波。DDS的理论基础是香农抽样定理。抽样定理内容是：当抽样频率大于等于模拟信号频率的2倍时，可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复原始信号。在DDS中，这个过程被颠倒过来了。DDS不是对一个模拟信号进行抽样，而是一个假定抽样过程已经发生且抽样的值已经量化完成，如何通过某种映射把已经量化的数值送到D/A及后级的LPF重建原始信号的问题[8]。正弦输出的DDS原理框中的系统时钟及参考频率源为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于DDS中各器件同步工作。DDS工作时，频率控制字FCW在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到的相位值（0～2π）在每一个时钟周期内以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM，将相位信息转变成相应的数字化正弦幅度值，ROM输出的数字化波形序列再经数模转换器（DAC）实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后DAC输出的阶梯序列波通过低通滤波器（LPF）平滑滤波后得到一个纯净的正弦信号。DDS的系统框图如下图3-1。图3-1DDS系统框图 DDS的频率分辨率为：（3-1）DDS的输出频率为：（3-2）式中：f0为DDS的输出频率；fr为参考时钟频率；N为相位累加器长度位数；K为频率控制字。通常，相位累加器位数较大，例如N=32或48，故用DDS技术能得到较高的频率分辨率。3.2AD9850芯片介绍AD9850是AD公司生产的最高时钟为125MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成[4]。输出电流和可调电阻关系为：I=32*（1.248/R），当电阻为3.9K时，DAC的输出电流为10mA，这样在100电阻上的峰峰值为1V。所以输出电压会随着电阻R的变大而变大。AD9850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125MHz的时钟下，32位的频率控制字可使AD9850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。AD98508位数据线D0～D7，AD9850的频率/相位控制字一共有40位，采用并行加载方式时，需连续加载5次。串行方式时，仅使用D7位（管脚25），AD9850引脚WCLK是加载时钟，与引脚FQUD配合，完成数据加载，FQUD为频率/相位更新控制，在FQUD的上升沿，DDS更新频率、相位，同时将指针指向第一个寄存器W0，CLKIN是AD9850的参考时钟，即芯片的工作时钟频率，可由晶振提供，本文中选择AD9850的时钟为125MHz，数据传送采用串行方式，连接图如下 图3-2AD9850连线图3.3滤波器一般用一个可实现的衰减特性来逼近理想特性，且使衰减的变化处在所规定的容限之内，根据不同的逼近原则、不同的衰减特性，选择不同响应的滤波器。低通滤波器的频率响应主要有三种：巴特沃斯滤波器（最平坦响应滤波器）、契比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器[9]。巴特沃斯滤波器的响应最为平坦，它的通带内没有波纹，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大，缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱，过渡带不够陡峭。契比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个上限值之间做等起伏变化，阻带内衰减单调增大，带内有起伏，但过渡带比较陡峭。椭圆函数滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。比较起来，椭圆函数滤波器性能更好。椭圆函数滤波器又叫考尔(Cauer)滤波器,它的传递函数在有限频率上既有零点又有极点,零极点在通带内产生等波纹,但零点在阻带内减小了过渡区,因此可以得到陡峭的衰减曲线。椭圆函数滤波器的传递函数为[3]：(3-3)其中,ε为波纹参数,En(Ω)为n阶椭圆函数,用零极点式可表示为：(3-4) 当n为奇数时,m=(n-1)/2。(3-5)当n为偶数时，m=n/2。滤波器的设计要根据滤波器的通带最大衰减AP或通带边界反射系数ρ、阻带最小衰减As和选择因子K，确定其阶数n，然后根据相应的曲线和归一化的元件值，得到去归一化后实际的元件值。参数fP、fS、K和n知道其中3个就可以求出另1个。它们之间存在特定的关系可以近似表示为：(3-6)q(k)是选择性因子k的单值函数数。(3-7)选择性因子K=fP/fS，(fp为通带的上限频率，fs为阻带下限频率)，显然K越小，过渡带越窄。在工程中常用模角θ=sin-1k来表示k。由于AD9850所加时钟为125M，最大输出频率为0.5125M=62.5M,实际设计时候由于滤波器的限制，最大输出频率只为20%，也就是25M，在此设计椭圆滤波器的通带截止频率为fp=40M，通带内的最大衰减系数为AP==0.2dB,阻带的截止频率为fs=45M，阻带内的最小衰减系数AS==40dB,输入输出匹配电阻为100欧姆。设计步骤：（1）将fs对fp进行归一化得到：。（2）通带反射系数为，（通带波纹系数）（3）椭圆滤波器的回波损耗为，因此阻带内的衰减为A(p)+As=53.46dB。（4） 按照图3-3，根据横坐标为1.125，纵坐标为53.46dB的交点为位于曲线6和7的中间，因此可选择滤波器的阶数为7，因为n为奇数，所以模数K和模角可以直接由求得：（3-8）（3-9）一般情况下选择的较预定值较大，在此设定为64o。图3-3n与，及ρ间的关系图（1）根据，可得出和K=1.112。（2）由此可以得出实际的截止频率为：（3-10）因此基准的电感和电容分别为：（3-11）（3-12）（7）7阶的归一化参数值为：C1=0.9967,C2=0.2284,L2=1.182,C3=1.310,C4=1.247,L4=0.6345,C5=1.078,C6=0.89,L6=0.7110,C7=0.6097, 将所有的电容乘以C0，电感乘以LO,就可以得到实际的参数值如下表。uCuLu139.21pF28.98pF464.998nH351.53pF449.056pF249.6123nH542.408pF635.0126pF279.7nH723.98pF表3-1元件值表图3-4低通滤波器电路图图3-5滤波器仿真图从仿真图3-5上可以看到通带的截止频率基本为40M，但在10M到40M的范围内增益有起伏，由于此设计要求输出信号频率最大为10M，所以该滤波器满足要求。 3.4单片机系统C8051F005[5]。单片机的实物图和结构框图如图3-4：图3-6单片机系统3.5按键图3-7按键及LED显示的原理图 图3-7为按键及LED显示的原理图。从图中可以看出，按键平时接高电平，按下为低电平。LED则为输入低电平时点亮。当按下KEY1，发光二极管LED1点亮，实现跳频，按一下频率加10，当按下KEY2，发光二极管LED2点亮，实现跳频，按一下频率减10，当按下KEY3，发光二极管LED2点亮，实现跳频功能，当按下KEY4，发光二极管LED2点亮，实现调相功能。3.6显示主要采用HS12232-9型液晶模块为现实模块液晶显示模块主要是应用实验室的HS12232-9型液晶模块。HS12232-9内置ST7920A驱动控制器，点阵为122*32，每行7个半汉字，共2行。内部字型ROM包括8192个16*16点阵的中文字型和126个16*8的字母符号字型，另外还提供一个64*256点绘图区域（GDRAM）及240点的IC0NRAM,可以和文字画面混合显示。内含的CGRAM有4组可编程的1616点阵的造字功能。与单片机的接口有8位并行、4位并行、2/3线串行。它采用低功率电源耗损，电压范围2.7~5.5V，功能齐全，汉字、点阵图形、ASCII码同屏显示；上下左右移动当前显示屏幕、清屏、光标显示、闪烁、睡眠、唤醒、关闭显示功能齐全[6]。3-8为液晶显示与单片机的连接图。图3-8HS12232-9与C8051F005的连接图当写入显示资料RAM时，可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型；ST7920A可以显示三种字型，分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型[12]。 4软件设计Siliconlabs的开发工具实质上就是计算机IDE调试环境软件及计算机USB到C8051F单片机JTAG口的协议转换器（UGC5）的组合SiliconLabsC8051F系列所有的单片机片内均涉及有调试电路，该调试电路通过便捷扫描方式获取单片机片内的信息，通过4线的JTAG接口与开发工具连接以便于进行对单片机在片编程调试。NCD-CIP51F020系统实验设备中的C8051F202CPU板上的单片机为C8051F系列中的F020。适配器（UEC5）一段与计算机相连，另一端与C8051F单片机JTAG口相连，应用SiliconLabs提供的IDE条数案件或Keil的uvision2调试环境就可以进行非侵入式、全速的在系统编程(IPS)和调试[8]。SiliconLabs开发工具支持观察和修改存储器和寄存器支持断电、观察点、堆栈指示器、单步、运行和停止命令。调试时不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道，并且所有的模拟和数字外设都正常工作。开发环境如图4-1。图4-1开发环境图4.1主程序部分 跳频减10跳频加10YYNNNNYYYYY开始初始化默认跳频方式是否进入功能菜单点频方式跳频方式扫频方式调相方式跳频减跳频加点频方式设置跳频方式设置扫频方式设置调相方式设置NNN图4-2控制主程序流程图主程序在上电时先完成对LCD和AD9850的初始化操作，然后默认进入跳频方式，将默认频率数据送至LCD和AD9850，最后进入查键程序的循环。如果进入菜单模式，则可以选择跳频、扫频和调相功能。进入跳频方式，按跳频加，则会加10，跳频减则减10。进入扫频方式，则会按每秒10的速度加减。进入调相方式，AD9850中有5bit用于相位控制。因此，相位控制的精度为360°/25=11.25，用二进制表示为00001，根据实际需要，设置不同的相位控制字就可以实现精确的相位控制。由于按键数量限制，无法进行点频功能。主程序流程图如图4-2while(1){ Set_Freq(freq);Set_Freq(freq);temp1=read();if(temp1!=temp2){xor1=temp1^temp2;delay_ms(5);temp2=read();if(temp1==temp2){wei1=xor1%2;temp_wei=temp2;if(wei1!=0){wei2=temp_wei%2;if(wei2==0){freq-=10;}//进入跳频减状态，每按一下频率减10}xor1>>=1;wei1=xor1%2;if(wei1!=0){temp_wei>>=1;wei2=temp_wei%2;if(wei2==0){freq+=10;}//进入跳频加状态，每按一下频率加10；}xor1>>=1;wei1=xor1%2;if(wei1!=0){temp_wei>>=2;wei2=temp_wei%2;if(wei2==0){TR2=1}//开启扫频模式}xor1>>=1;wei1=xor1%2;if(wei1!=0){temp_wei>>=3;wei2=temp_wei%2;if(wei2==0){调相}//进入调相模式}}}}//endofwhile(1)} 当按下KEY1，则进入跳频加状态，每按一下频率加10；当按下KEY2，则进入跳频减状态，每按一下频率减10；当按下KEY3，则开启扫频模式，系统则会按每10秒加减频率，直到频率到达峰值，就跳回初始值；当按下KEY4，系统则进入调相模式，当送入相位控制字为00100的时候，波形则45°旋转，当送入相位控制字为01000的时候，波形则90°旋转，当送入相位控制字为10000的时候，波形则180°旋转，当送入相位控制字为10100的时候，波形则225°旋转，当送入相位控制字为11000的时候，波形则270°旋转。当送入相位控制字为11100的时候，波形则315°旋转。4.2AD9850初始化流程在串口操作方式下，AD9850的D2应接地，D0或D1应接电源正极。在开机上电时，主机向移位控制时钟（W_CLK）线发一个正脉冲，接着向频率更新控制引脚（FQ_UD）发一个正脉冲即可初始化为串口操作模式。初始化程序如下图4-3：图4-3初始化流程图程序如下：voidDDS_init(){FQ_QD_AD9851=0; CLK_AD9851=0;CLK_AD9851=1;CLK_AD9851=0;FQ_QD_AD9851=1;FQ_QD_AD9851=0;}4.3串行发送流程在串口操作模式下，AD9850每次修改输出频率都要送入4个字节的频率控制字及1字节的控制字。这5字节组成40位的控制串行数据一次移入AD9850内部控制寄存器，每字节移位时先发低位，后发高位。在串行频率控制输入时，最后一个控制字节为00H，相位控制设为0。时钟的上升沿将一位数据移入AD9850，低电平时改变输入位数据，在40位频率控制数据移完后从FQ_UD线上发一个正脉冲结束输入，并将AD9850内部的串行寄存器中的数据送入频率控制单元，实时改变输出的正弦波频率，串行频率控制时序如图4-4。设输出信号的频率为fout，参考频率为fref，AD9850的频率控制字为△f，则三者之间的关系为△f=(fout×232)/fref。例如，当参考频率为125MHz，输出频率为10MHz时，向AD9850写入的频率控制字为△f=(10×232)/125[15]。图4-4串行频率控制时序图voidSentFreq(){unsignedchari;unsignedinttemp;FQ_QD_AD9851=0;for(i=0;i<32;i++)//串口数据输入频率控制字{CLK_AD9851=0;temp=((freq_dds>>i)&1);//频率控制字进行一位位输入 DataIn_AD9851=temp;CLK_AD9851=1;//数据当输入到32位时，时间暂停}for(i=0;i<8;i++)//相位控制位输入{CLK_AD9851=0;temp=((Control_AD9851>>i)&1);//相位控制字一位为输入DataIn_AD9851=temp;CLK_AD9851=1;//输完8位一次数据传输完成}CLK_AD9851=0;FQ_QD_AD9851=1;FQ_QD_AD9851=0;//进行初始化}串行发送流程如图4-5图4-5初始化流程图4.4扫频时间控制程序设计 为了实现10秒钟更新一下，设置定时器1，定时时间为10ms,开始计时工作，当进行1000次，也就是到了10s，程序则进行频率加10，再次进行计时，最后当频率到达10MHz的时候，跳变值初始值100Hz。扫频时间控制流程如图4-6。voidTimer2_Init(void){CKCON=0x10;//定时器1采用系统时钟，定时器采用12分频RCAP2L=0X00;//定时时间为10msRCAP2H=0XDC;TL2=0X00;TH2=0XDC;T2CON=0X04;//采用16位自动重载方式ET2=1;//允许中断}voidTimer2_ISR(void)interrupt5{percent++;//次数加1if(percent==1000)//1000次到，也就是10秒钟到了{percent=0;freq+=10;if(freq>10000000)freq=100;}TF2=0;} 图4-6扫频时间控制流程图 5制作和调试本设计方案按照任务书的要求，细致的分析了信号发生器的各个功能，思考了各个功能的实现方法。在查阅大量资料学习各模块的工作原理,熟悉本设计各模块功能的基础上，先对整个程序分模块画流程图，然后再根据流程图分模块设计电路原理图,设计出总的硬件电路原理图，最后根据设计完成的图用Protel99SE软件绘制原理图。通过不断的调试修改，硬件分模块完善各部分的功能。设计硬件完成后，设计软件总体方案，确定各个软件模块的功能和接口，根据流程图用C语言程序编写，实现跳频，扫频，调相等功能。程序编制成功后，用Siliconlabs先进行编译和仿真，仿真正确后根据实际调试情况用开发系统将程序下载到芯片中对分模块进行调试，再通过对源程序进一步的改进和完善进行总调试，使LED显示和液晶显示一致，按键正常，最终实现频率发送功能。 6结论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）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合成频率技术中的佼佼者。本论文在分析了现有波形发生器设计方案的基础上，根据系统指标合理地使用了DDS技术，以AD公司的AD9850直接数字合成芯片为核心，采用单片机8051为控制器，设计了一种结构简便性能优良的信号发生器。，本系统除了产生正弦波外，还具有数字调制功能，可以输出幅度可调、频率可调、相位可调的波形。其输出频率可达40MHz，频率分辨率可达0.0291Hz。 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附录3毕业设计作品说明书一、作品名称基于DDS技术的数控信号发生器二、作品功能(1)DDS输出频率为1Hz-10MHz的正弦信号。(2)进行扫频，跳频。(3)调节频率。(4)液晶显示器上显示相应的功能，及频率的大小。三、运行环境C8051F005的典型单片机开发系统板，用C语言的编写，通过Siliconlabs软件进行程序的编译和修改，将程序下载C8051F005单片机中，就可以检验程序是否正确。四、操作步骤1、连好各部分的电路。2、接通电源。3、发送不同的编码。4、查看结果。KEY1跳频加10KEY2跳频减10KEY3扫频KEY4调相表附3-1