基于AD9850的简易信号发生器设计

第1页共52页1引言..............................................................21.1选题背景........................................................22DDS概要..........................................................32.1DDS结构........................................................32.1.1频率预置与调节电路...........................................42.1.2累加器........................................................42.2.3控制相位的加法器..............................................52.2.4控制波形的加法器..............................................52.2.5波形存储器....................................................52.2.6D/A转换器....................................................62.2.7低通滤波器....................................................62.2DDS数学原理....................................................63总体设计方案......................................................93．1系统设计原理...................................................93．2总体设计框图...................................................94系统硬件模块的组成...............................................104.1键盘控制模块...................................................104.2单片机控制模块.................................................104.2.1AT89S52主要性能.............................................104.2.2AT89S52功能特性描述.........................................114.2.3时钟电路.....................................................124.2.4复位电路.....................................................134.3LCD显示模块...................................................134.3.1LCD1602的主要性能...........................................144．3.2LCD1602与单机的连接........................................154.4AD9850与单片机连接模块........................................154.4.1AD9850简介..................................................154.4.2AD9850的控制字与控制时序....................................174．4.3单片机与AD9850的接口.......................................204.5.滤波电路设计...................................................215软件设计与调试...................................................225．1程序流程图....................................................225.2软件调试.......................................................236硬件电路制作....................................................246.1电路实现的基本步骤.............................................246.2原理图的绘制...................................................246.3印制线路板设计的主要问题.......................................25结论...............................................................27谢辞.............................................................28参考文献...........................................................29附录.............................................................30第1页共52页1引言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(DirectDigitalSynthesisDDS)，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DDS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、频率分辨第1页共52页率高、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。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2DDS概要2.1DDS结构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组成原理。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，故没受到重视。近几年间，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佼佼者。具体体现在相对带宽、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、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。DDS是直接数字式频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。直接数字频率合成器（DirectDigitalSynthesizer）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法第1页共52页器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF）构成。DDS的原理框图如下所示：图2.1DDS原理框图其中K为频率控制字、P为相位控制字、W为波形控制字、fc为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟fc的控制下以步长K作累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址，对波形ROM进行寻址，波形ROM输出D位的幅度码S(n)经D/A转换器变成阶梯波S(t)，再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅度码，因此用DDS可以产生任意波形。这里我们用DDS实现正弦波的合成作为说明介绍。2.1.1频率预置与调节电路K被称为频率控制字，也叫相位增量。DDS方程为：f0=fCLK/2n，f0为输出频率，fc为时钟频率。当K=1时，DDS输出最低频率（也即频率分辨率），为fc/2n,而DDS的最大输出频率由Nyquist采样定理决定，即fc/2，也就是说K的最大值为2N-1。因此，只要N足够大，DDS可以得到很细的频率间隔。要改变DDS的输出频率，只要改变控制字K即可。2.1.2累加器StSnN位波形控制字WN位频率控制字K相位控制字P第1页共52页图2.2累加器框图相位累加器由N位加法器与N位寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fc，加法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。寄存器将加法器在上一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加。这样，相位累加器在时钟的作用下，进行相位累加。当相位累加器累加满