DDS信号发生器电路设计方案

1 号发生器电路设计 方案 1、 了解电子电路设计的一般方法、根据题目要求选择设计方案。 2、 根据理论计算分析，查阅相关资料和手册，选择电子元器件。 3、 学会使用电子设计自动化软件对电路进行设计、分析、验证。利用可编程逻辑器件实现电路的设计、仿真、下载。 4、 熟练使用常用电子仪器（示波器、万用表、信号发生器等）对电路进行测试。 5、 写出符合要求的课程设计报告。 一、 实验设备 1、 发板 ( 2、 发软件 3、 数字电路实验面包板 4、 示波器、万用表等 二、 实验任务要求 利用 验开发装置，在给定电源条件下，完成正弦波信号发生器电路设计。 1、 技术指标 信号频率输出范围 500率可调。步进调整，步长 0 频率稳定度 10 2、 发挥部分 增加脉冲信号的输出，信号频率输出范围 500 脉冲信号占空比可调，调整范围 2%98%； 正弦或脉冲频率步长调整分别为 110100110 完成在数码管上数字频率显示功能； 三、 实验原理介绍 1、 接数字合成（ 一种新的频率合成技术和信号产生的方法。直接数字频率合成器（ 有超高速的频率转换时间，极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时， 够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制。此外， 术大部分是基于数字电路技术的，具有可编程控制的突出优点。因此这种信号产生技术得到了越来越广泛的应用，很多厂家已经生产出了 用芯片，这种器件成为当今电子系统及设备中频率源的首选器件。 2、 相位累加器 2 一个正弦波，虽然它的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增 加的。用了这一特点来产生正弦信号。 根据 频率控制字 M 的位数 N，把 360平均分成了 2 的 N 次等份。系统时钟为 据公式 要选择恰当的频率控制字，就可以得到所需要的输出频率 3、 作用是构成正弦查找表，其内部存储一个完整的正弦波的数字幅度信息，每个查找表的地址对应正弦波中的 0360范围内的一个相位点。相位累加器输出的高 M 位数据进行相位 幅值转换，在给定的时间上确定输出的波形幅值。 4、 D/A 从 D/输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表个位的模拟量相加，则所得的总模拟量与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。 3 5、 低通滤波器（ D/A 出来之后的波形是梯形状的，将它通过低通滤波器后就可以看到平滑的、不带毛刺的波形。二阶低通滤波器由一级 级 同相比例放大器组成。当 f 超过 ，其幅频特性以 40dB/速率下降，但在 四、 实现方案简述 1、 设计流程 将系统时钟 50入预分频模块，输出为 220将其送入 加器作为它的时钟信号。 加器的步长由累加步长控制模块控制，设计频率显示模块显示输出频率。将 加器数据前 8 位送入 行相位到幅值的转换， 出经过 低通滤波器，最后用示波器显示波形。 2、 功能模块连接图 3、 功能模块设计分析 预分频模块 4 预分频模块由 32 位加法器和 32 位锁存器构成。根据公式 为 32， 0使 20需求出 M 的值，然后对其进 行累加。 M 的值存储在置数端， 输出的频率便是 220系统时钟，系统清零信号。 加器模块 根据公式 使输出频率可控，则 加器的位数要与预分频输出频率相对应。已知预分频输出频率为 220么 加器的加法器和锁存器都对应为 20 位。化简公式得 M，可通过控制 M 的值来控制 加器的输出频率。 9.入为累加步长（由累加步长控制模块输出）， 入为预分频输出时钟， 系统清零信号。 累加步长控制模块 累加步长控制模块包含步长选择和累加控制两个模块。步长选择模块内置题目要求的 110501001于题目要求 加器的频率输出范围为 500以设置步长 10义不大，将之改为 50通过步长选择脉冲循环切换步长频率。累加控制模块将选好的步长进行累加，每当 入一个脉冲信号，就将选好的步长累加一次，当超5 过 10回 50就将 加器的输出频率控制在了 5010间。 于对累加步长的清零，接清零信号， 单次脉冲信号。 频率显示模块 频率显示模块用于显示 加器频率，由于题目要求的最大输出频率为 10000以设计的频率显示模块只输出 5 位数。该模块输入为累加步长控制模块输出的累加步长，由于 M，所以 输出频率就是累加后的步长。输入信号为 20 为 2 进制数，将它转换为 10 进制数，再依次将个十百千万位提取出来做判断。将判断后的值对应的七段数码显示器值输出到5 位 7 段数码显示管显示。 应地位， 应高位。 时钟信号，用于驱动显示模块工作。 波形存储器模块 波形存储模块由高位提取模块 和 成。高位提取模块作用是将加器中锁存器数据的高 8 位提取出来送入 所以取高位弃低位，是因为如果包含低位，则一个周期中将会出现的多于 28（ 256）个值，就不能与 中的 256 个幅度值形成一一对应。 存储了 256 个波形幅度值，用高 8 位的数据进行相位 幅值转换，在给定的时间上确定输出的波形幅值。 预分频输出时钟， 系统清零信号。 其它波形同理，只需修改 找表中的幅值信息。产生多种波形之后将多个波形输出接到波形选通器上进行选通控制。四个输入分别接正弦波、三角波、方 波和锯齿波， . 弦查找表： 6 D/A 转换器 到的芯片为： 脚： * 8 位数据输入线， 平，有效时间应大于 90则锁存器的数据会出错 )； * 据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； * 选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； * 据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500效。由 逻辑组合产生 高电平时，数据7 锁存器状态随输入数据线变换， 负跳变时将输入数据锁存； * 据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于 500效； * 存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500效。由 逻辑组合产生 高电平时， 负跳变时将数据锁存器的内容打入 存器并开 始 D/A 转换。 * 流输出端 1，其值随 存器的内容线性变化； * 流输出端 2，其值与 之和为一常数； * 馈信号输入线，改变 外接电阻值可调整转换满量程精度； * 源输入端， 范围为 +5V +15V； * 准电压输入线， 范围为 +10V； * 拟信号地 * 字信号地 片管脚： 1&5、偏置平衡（调零端） 2、反向输入端 3、正向输入端 4、接电源负 6、输出 7、接电源正 8、空脚 8 由于不需要用到 片中的输入寄存器和 存器，所以将 1、2、 17、 18 号脚接地， 19 号脚接 +5V。 20 号脚接 +5V。 3、 10 号脚接地，基准电压 号脚接 +5V。 12 号脚接 3 号脚并接地， 11 号脚接 2 号脚。 9 号脚接 6 号脚。 出。 1 号脚和 5 号脚接一个电位器 于调零，电位器的滑动端接+15V。 4 号脚接 7 号脚接 +15V。由于 片输出为电流信号，而实际操作中需要用电压信号，所以将 输出接 之转换成电压信号。 作用就是讲电流信号转换成电压信号。 出范围为 0000000011111111。已知基准电压 5V，由公式 可得，当输入为 00000000 时，； 当输入为 11111111 时，。 将输入全置 0，然后用万用表对 片的输出进行调零。 输出电压均为负值，产生的波形在 x 轴以下，要想将它反向到 x 轴以上，可以接一个反向比例放大器。在其基础上加求和运算电路就可上下平移波形。 芯片 脚： 9 1&8、偏置平衡（调零端） 2、反向输入端 3、正向输入端 4、接电源负 5、空脚 6、输出 7、接电源正 信号从 号脚输出后通过定值电阻 号脚。 3 号脚接地， 4 号脚接 7 号脚接 +15V。 1 号脚和 8 号脚接一个电位器 于调零，电位器滑动端接 +15V。 6 号脚接电阻 馈到 2 号脚。在 2 号脚接一个电位器 成求和运算电路，电位器另一端接 +15V。 使输入端（即 2 号脚）开路，用万用表对 片输出进行调零，由反向求和运算电路输出电压表达式，可求出输出电压 中 调节放大器增益，调节 上下平移波形。 低通滤波器（ 经过反向、放大后的信号，通过一级 级 入 片的正向输入端 3 号脚。 1 号脚和 8 号脚接一个电位器 于调零，滑动端接+15V。 4 号脚接 7 号脚接 +15V。 6 号脚接一个电阻 馈到 2 号脚。10 2 号脚出来接一个电阻 接地。 使输入端（即 3 号脚）开路，用万用表对 片进行调零。二阶低通滤波器，通带截止频率。已知 R=51C=100此可解得，高于输出频率上限 10足设计要求。 整电路： 五、 实验仿真结果 1、 预分频模块仿真图 编译好电路后新建一个波形向量文件（ 然后将要进行仿真的节点（ 加到仿真文件中，保存后打开仿真工具（ 选择功能仿真（ 生成网表（ 之后开始仿真，仿真结束后打开仿真报告文件（ 通过公式 的值为“ 00000101010111100110001110111000”来一个时钟信号累加一次。由于最低三位为 0，无论怎么累加都不会出现进位，所以，最低三位一直为低电平。 2、 加器模块仿真图 11 由于 M，又因为输出频率范围为 500以进位高位的进位较慢，符合设计要求。 3、 波形存储模块仿真图 从 来的数据就是输入相位对应的幅值数据了，符合要求。 4、 动态仿真正弦波 12 打开 具，将编译好的 件下载到开发板中。然后单击 击 择 后选择 可出现以上动态仿真波形。上面的仿真都是基于 件的静态功能仿真。动态仿真是用 一工具捕获片中实时信号的状态，达到硬件和软件的 交互。方波、三角波、锯齿波的动态仿真方法与上面一致。 5、 动态仿真方波 6、 动态仿真三角波 7、 动态仿真锯齿波 动态仿真结束后，将输出信号附上管脚，用示波器测量输出最高位信号的频率，而后与理论值作比较。 8、 5000量波形 13 示波器测量值： 绝对误差： = |5000= 0 相对误差： = = 0 9、 5001量波形 14 示波器测量值： 绝对误差： = |5001= 0 相对误差： = = 0 10、 5011量波形 15 示波器测量值： 绝对误差： = |5011= 0 相对误差： = = 0 11、 5061量波形 16 示波器测量值： 绝对误差： = |= 对误差： = = 12、 5161量波形 17 示波器测量值： 绝对误差： = |= 对误差： = = 13、 6161量波形 18 示波器测量值： 绝对误差： = |6161= 0 相对误差： = = 0 测量好后，将输出的 8 位信号接到 片的 入脚，将低通滤波器的输出端接示波器进行测量。 14、示波器正弦波 19 输出频率绝对误差： = |= 出频率相对误差： = = 20 理论值计算： 输入第一级输入信号介于 0 之间 第一级静态输出： 第一级动态输出：，所以 第二级输入信号介于 间 传递函数，由此可以算出。因此第二级输出信号应该介于 峰值为 真结果： 21 而示波器实测值与理论值相差 1 倍之多。产生的原因可能是： 1、 电路连接有问题； 2、 示波器检测的波形发生变化后没有进行 3、 使用了示波器内部增益（）； 4、电路调零不到位； 15、示波器方波 16、示波器三角波 22 17、示波器锯齿波 六、 问题与改进 1、 输出频率只能是内置的几个值的倍数，不能直接从键盘输入想要输出的频率值。 改进方法：由于 发板只有键盘只有四个键，所以不能用开发板上的键盘进行频率输入，可以外接键盘进行频率输入。外接一个 44 键盘，将 用它输入频率。 2、 频率只能加不能减。 改进方法：增加频率减小控制键，进行频率减小控制。 3、 输出频率范围较小，低于 10 改进方法：修改累加步长控制模块对频率的限制，并在后级电路作相应调整。 4、 在低通滤波器后加一级功率放大器，便于对信号进一步放大。 5、 低通滤波器通带宽度不可控，频率较大时出现 失真。 改进方法：由于增益带宽积的限制，当低通滤波器的增益越大时，通带宽度就越窄。可将低通滤波器输出管脚上的反馈电阻换为电位器，便于对低通滤波器增益的调节，从而控制通带宽度。 6、 第二级电路中的反向求和运算电路静态通路使用了定值电阻，不方便平移波23 形。 改进方法：将反向求和运算电路中静态通路上的定值电阻换为电位器。 七、 收获与体会 1、 在设计数字电路时使用原理图加语言编写有时更显简便。比如用语言编写转换电路比较简便，而使用原理图定制 锁存器则显得更简便。不管如何，最终的目的是相同的。 2、 做模拟电路时最好先使用 工具进行仿真，这样在后面的设计中会事半功倍。 3、 做实验时不仅要知其然，最重要的还是要知其所以然。 4、 实验时要善于思考，善于总结，为以后的学习工作做积累。 5、 “不放弃”是实验成功的关键。 参考文献： 1、 统设计与应用开发 主编：周淑阁 电子工业出版社 2、 术与 计 编著：徐志军 王金明 尹廷辉等 电子工业出版社 3、电工电子实验教程 主编：王久和 副主编：李春云 苏进 电子工业出版社 附录： 程