正弦信号发生器设计

毕业设计（论文）标题：正弦信号发生器设计学生姓名：XXX系部：计算机信息系专业：电子信息工程技术班级：电子331002学号：4233100218指导教师：XX山西煤炭职业技术学院2013年06月03日山西煤炭职业技术学院毕业设计1摘要在21世纪的今天，信号发生器已经广泛地应用于雷达应用，通信系统的仿真与测试等国防、科研和工业领域。而随着社会的不断进步和科研的不断深入，对信号发生器的波形可编程性、波形的精度与稳定性等性能提出了更高的要求。基于DSP的信号发生器正是以其编程的高度灵活性，波形的高精度与高稳定性等特点而脱颖而出，具有极大的应用价值和广泛的应用前景。该信号发生器主要由TMS320C5402和AT89S51两大部分组成。在DSP芯片上完成对波形的编程，在单片机上完成控制显示等功能，充分发挥芯片各自的优势。该信号发生器的硬件设计中TMS3205410和AT89S51采用主机接口HPI进行通信，DSP接受来自单片机的命令，根据频率控制字得到相位累加器的累加值，最后将相位累加器的结果高16位送地址线，到ROM表中取得正弦波的离散值，送到D/A转换器进行数模转换，得到所需要波形。该信号发生器的软件编程主要采用模块化的设计思想，把程序细化成易于实现的小模块。编程的语言主要采用执行效率高的汇编语言，C语言和汇编语言混合使用的方式灵活的编写程序。通过软硬件的联合调试最终产生正弦波，并成功的实现了其波形频率的可调性。关键字：信号发生器，TMS320C5410,AT89S51,主机接口HPI山西煤炭职业技术学院毕业设计2目录1绪论...................................................................错误！未定义书签。1.1信号发生器简介..............................................................21.2DDS的背景和意义..........................................................32系统原理分析....................................................错误！未定义书签。2.1正弦波的产生方法..........................................................62.2频率合成技术分析..........................................................72.3正弦波振荡器....................................................................3高速微处理器....................................................错误！未定义书签。3.1采用高速的微处理芯片的解决方案........错误！未定义书签。3.2采用高速微处理器的DDS的设计.............................203.3DDS关键技术设计.....................................................214硬件设计............................................................错误！未定义书签。4.1芯片简介....................................................错误！未定义书签。4.2整体电路设计............................................错误！未定义书签。5信号发生器的软件设计........................................................275.1软件总体设计................................................................275.2单片机控制部分程序设计............................................285.3DSP和单片机的主机接口程序设计............................296系统性能测试及总结............................................................336.1测试结果........................................................................33山西煤炭职业技术学院毕业设计36.2测试结果误差分析........................................................34参考文献..............................................................................36致谢........................................................................................37山西煤炭职业技术学院毕业设计41绪论1.1信号发生器简介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。凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。1.1.1国内外研究现状19世纪80年代以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器。随着无线电应用领域的扩展，针对广播、电视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方式的多样化，从调幅、调频、调相到脉冲调制。1980年以后，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号。调制方式更加复杂，出现同相/正交调制至宽频数字调制。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便的激励源。目前，常用的信号发生器绝大部分由模拟电路或数字电路构成，体积和功耗都很大，价格也比较贵，已经无法满足高精度高稳定性能信号发生器的要求。随着微电子技术和计算机技术的发展，以DSP微处理器及DSP软硬件开发系统(例如集成开发环境CCS)及配套产品为内容已形成了庞大并极具前途的高新技术产业，而可编程逻辑器件、SOPC等新技术的应用迅速渗透到电子、信息、通信等领域，这些为新型高性能高精度信号发生器的设计提供了可能，其中一种最有前途的技术就是直接数字频率合成技术。1.1.2信号发生器的分类信号源有很多种分类方法，其中一种方法可分为混和信号源和逻辑信号源两种。其中混和信号源主要输出模拟波形，逻辑信号源输出数字波形。混和信号源又可分为函数信号发生器和任意波形/函数发生器，其中函数信号发生器输出标准波形，如正弦波、方波等，任意波/函数发生器输出用户自定义的任意波形；山西煤炭职业技术学院毕业设计5另外，信号源还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。信号源也可以按照使用频段分类，不同频段的信号源对应不同应用领域。（1）函数信号发生器函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。函数波形发生器在设计上分为模拟和数字合成式。众所周知，数字合成式函数信号源（DDS）无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟式，其锁相环（PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动（phaseJitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模拟电路之间的干扰始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器，如今市场上的大部分函数信号发生器均为DDS信号源。（2）任意信号发生器任意波形发生器，是一种特殊的信号源，不仅具有一般信号源波形生成能力，而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。由于任意波形发生往往依赖计算机通讯输出波形数据，在计算机传输中，通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，和更进一步的仿真实验。另外，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对比，或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。有些任意波形发生器有波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步实验验证。1.2DDS的背景和意义频率合成技术迄今已经历了三代：直接频率合成技术、锁相环频率合成技术、直接数字式频率合成技术。直接数字式频率合成(DirectDigitalFrequencySynthesis，DDFS或DDS)是第三代频率合成技术的标志，他的主要特点是计算机参与频率合成，既可以用软件来实现，也可以用硬件来实现，或二者结合。1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的“ADigitalFrequencySynthesizer”-文首次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种新给成原理。限于当时的技术和器件产，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近1年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其它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姣姣者。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、可产生宽带正山西煤炭职业技术学院毕业设计6交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨率、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。（1）输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为50%fs（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号误差的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。（2）频率转换时间短DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率时间等于频率控制字的传输，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短（3）频率分辨率极高若时钟fs的频率不变，DDS的频率分辨率就是则相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多小于1mHz甚至更小。（4）相位变化连续改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。2系统原理分析2.1正弦波的产生方法通常产生正弦波有两种方法，它们分别为泰勒级数法和查表法。2.1.1泰勒级数法查表法是通过查表的方式来实现正弦波，主要用于对精度要求不很高的场合。泰勒级数展开法是根据泰勒展开式进行计算来实现正弦信号，它能精确地计算出一个角度的正弦和余弦值，且只需要较小的存储空间，但因其运算量较大,所以适用于对速度要求不严格的场合。一个角度为θ的正弦和余弦函数,都可以展开成泰勒级数,取其前五项进行近山西煤炭职业技术