（系统分析与集成专业论文）基于dds的信号发生器的研制.pdf

南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 摘要 信号发生器是一类十分重要的仪器，在通信、测控、导航、雷达、医疗等 领域有着广泛的应用。直接数字式频率合成技术d d s ( d i r e c td i g i t a l s y n t h e s i s ) 是新一代的频率合成技术，它采用数字控制信号的相位增量技术， 具有频率分辨率高，频率切换快，频率切换时相位连续和相位噪声低以及全数 字化易于集成等优点而被广泛采用。 本文在分析现有信号发生器的工作原理基础上，根据系统指标合理地采用 了d d s 技术，以a d 9 8 5 4 芯片为核心，设计了一种结构简单性能优良的信号发生 器。详细分析了该信号发生器的系统结构、软硬件设计和具体电路实现。 信号发生器的硬件部分包括三个模块，分别是信号产生和控制模块、人机 交互模块和信号处理模块。软件部分主要开发基于单片机w 7 8 e 5 8 的数据处理 和控制程序，以及信号发生器的外部通信程序。完成实验电路板的制作，并通 过电路板的调试，实验电路工作正常。该信号发生器具有输出信号波形种类多、 精度高、频带宽等特点。 关键词：信号发生器，d d s ，a d 9 8 5 4 ，w 7 8 e 5 8 ，频率合成 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生罂的研制 a b s t r a c t s i g n a lg e n e r a t o ri sv e r yi m p o r t a n ti nm o d e me l e c t r o n i ci n s t r u m e n t s i ti sw i d e l y a p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c h 船c o m m u n i c a t i o n ，n a v i g a t i o n ，r a d a r , m e a s u r ea n d c o n t r 0 1 d i r e c td i 百t a ls y n t h e s i z i n gi san e wf r e q u e n c ys y n t h e s i z i n gt e c h n o l o g y , w h i c ha d o p t sp h a s ei n c r e m e n tc o n 仃o h e db yd i g i t a l i th a ss om a n yv i r t u e ss u c ha s l i g hf r e q u e n c yr e s o l v i n g ，f a s tf r e q u e n c ys w i t c h i n ga b i l i t y , c o n t i n u o u sp h a s e 。l o w p h a s en o i s ea n di n t e g r a t i o ne a s i l yf o ri t sd i g i t a lo p e r a t i o nt h a th a sb e e na d o p t e d w i l d l y a f t e ra na n a l y s i so ft h et h e o r yo f p o p u l a rs i g n a lg e n e r a t o ra n da c c o r d i n gt ot h e t a r g e ts y s t e m , as i g n a lg e n e r a t o rw i t ht h eb r i e fs t r u c t u r ea n de x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei s d e s i g n e dw i t ha d o p t i n gd d s ，w h i c hi sb a s e do nt h ea dc o m p a n y sd d sc h i r a d 9 8 5 4 t h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ed e s i g no fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ea n dt h ew a y t o r e a l i z et h ec i r c u i t r yo f t h es i g r l a lg e n e r a t o ri sa n a l y z e di nd e t a i l t h eh a r d w a r eo ft h es i g n a lg e n e r a t o rc o n s i s t so ft h r e eb l o c k s ，t h o s ea r es i g n a l g e n e r a t em o d u l e 、k e y b o a r da n dl c dd i s p l a ym o d u l e 、s i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e s o r w a r eo ft h es y s t e mm a i n l yf o c u s e so nt h ed e s i g no fc 51i n c l u d i n gc o n t r o l 、d a t a p r o c e s s i n g 、c o m m u n i c a t i o n , a n ds oo n t h ec o r r e s p o n d i n gp c b h a sb e e nm a d ea n d d e b u g g e d t h ew h o l ec i r c u i tw o r k sw e l l t h es i g n a lg e n e r a t o rh a sm a n yv i r t u e s ，s u c h a sg e n e r a t i n gm u l t i p l es o r t so f s i g n a l s ，h i g hp r e c i s i o na n dw i d ef r e q u e n c yw i d t h k e y w o r d s ：s i g n a lg e n e r a t o r , d d s ，a d 9 8 5 4 ，w 7 8 e 5 8 ，f r e q u e n c ys y n t h e s i s 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 巨l 鳖。 日期：边王! 垒 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：拦l 叁丘 日 期：塑签：兰 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 作者签名：囱垒g 。 日期：丝! s ! 丛 导师签名：盈羔! 塾 日期：垒l ：! ：! ： 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研刺 1 1 前言 第一章绪论 测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，激励仪器主要是各类信号发生器。 信号发生器按工作原理可分为：调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器。【l 】 ( 1 ) 调谐信号发生器是由调谐振荡器构成。传统调谐信号发生器都是由调谐振荡器和 统调的调幅放大器( 输出放大器) 加上一些指示电路构成。这种信号发生器结构复杂、频 率范围窄，而且可靠性、稳定性较差，但其价格低廉。随着半导体器件的发展，其性能有 所改善。 ( 2 ) 锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号频率的信号发生器。 这种信号发生器频率精度和稳定度高，但要实现快速、程控比较困难，同时输出信号的频 率分辨率较差。 ( 3 ) 合成信号发生器是采用频率合成的方法构成的信号发生器。由于合成信号发生器 具有较高的频率稳定度。很容易实现数字显示频率，因此，频率分辨率高和频率的设定重 复性好，以及能方便实现频率的程序控制是合成信号发生器的重要特点。 随着数字集成电路和微电子技术的发展，直接数字合成技术( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i s ， 简称d d s ) 【2 】将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，优越的性能和突出的特点 使其成为现代频率合成技术中的佼佼者。d d s 器件采用了高速数字电路和高速d a 转换技 术，具备了频率转换时间短、相对带宽宽、频率分辨率高、输出相位连续和相位可快速程 控切换等优点，可以实现对信号的全数字式调制。而且，由于d d s 是数字化高密度集成电 路产品，芯片体积小、功耗低，因此可以用d d s 构成高性能频率合成信号源来取代传统频 率信号源产品。 1 2d d s 的工作原理 直接数字式频率合成技术原理如图l | l 所示，是根据奈奎新特采样定律，从连续信号 的相位出发将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存于e p r o m 中： 合成时，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。相位增量不同，一个正弦周 期内的采样点数不同。在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位增量的改变来实现 频率的改变，计算公式p 1 为 a p = e a t = 2 a r a t ( 1 2 1 ) 经过转换得合成信号的频率为： f = a p ( 2 n a t ) = ( a e ，) 2 石 f 122 1 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 其中尸为相位变化，国为角频率，r 为时钟周期，厂c l r 为时钟频率。由( 1 2 2 ) 式可 知，改变相位值尸，就可改变合成信号的频率f 。由于n 位相位累加器对2 石进行量化， 即对2 1 r 取2 “个点，则p 可取o 2 “一1 。将其代入公式( 1 2 2 ) 得 。= ( ，) 2 “ n9q 、 其中阡为频率控制字，取值为o 2 “一1 。将这种变化的相位幅值量化的数字信号通过 d a 转换即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。 图1 1 加s 技术的原理框图 由上可知，1 9 d s 技术可以理解为数字信号处理中信号综合的硬件实现问题，即给定信 号幅度、频率、相位参数，产生所需耍的信号波形。从系统的角度可以认为是给定输入时 钟几和频率控制字阿，输出某一对应的正弦信号。 由于d d s 采用了不同于传统频率合成方法的全数字结构，所以d d s 技术具有传统信 号合成方法所不具备的许多特点【4 j ： ( 1 ) 频率分辨率高 由阿= 1 ，可得分辨率为鲈九2 “，若时钟频率c w 不变，d d s 的频率分辨率 就由相位累加器的位数n 决定。因为n 一般取得很大，如3 2 位、4 8 位、6 0 位，使得分 辨率高，达到微赫兹级。 ( 2 ) 频率切换快 d d s 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得d d s 的频率转换时间极短。 在d d s 的频率控制字玎。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。因为频率转换的时间等于玎备的传输时间，也就是一个时钟周期的时 间。时钟频率越高，转换时间越短。再加上低通滤波器为主的器件响应时间很短，使得高 速d d s 系统的频率切换时间可达到纳秒级。 ( 3 ) 输出相对带宽较宽 输出频率带宽为5 0 ，c ( 理论值) ，考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出 信号杂散的抑制，d d s 实际输出频率范围可达：o 4 0 ，。 ( 4 ) 频率变化时相位连续 改变d d s 输出频率，实质就是改变相位增长率。而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 南京信息工程大学硕士论文基于d d s 的信号发生器的研制 ( 5 ) 输出信号的灵活性 在d d s 内部加上相应控制如调频控制f m 、调相控制p m 和调幅控制a m ，即可方便 灵活地实现调频，调相和调幅功能，产生f s k 、p s k 、a s k 和m s k 等信号。改变r o m 中 存储的数据，可以实现任意波形输出。 ( 6 ) 杂散抑制差 由于d d s 采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器 相位舍位造成的杂散；幅度量化误差( 由存储器有限字长引起) 造成的杂散和d a c ”均 理 想特性造成的杂散。 ( 7 ) 输出带宽较窄 由于d d s 内部d a c 和波形存储器的工作速度限制，使得d d s 输出的最高频率有限， 不能直接运用于微波频段。 1 3 本文的主要研究内容 本论文的任务是根据信号发生器的特点和应用情况，结合新一代高性能芯片设计一种 使用简单、性能优良的信号发生器。该信号发生器具有a m 、f m 、p m 、f s k 、p s k 、a s k 调制功能以及扫频等功能。整个系统以单片机w 7 8 e 5 8 n 控制，d d s 芯片a e d 8 5 4 为核心， 配置相应的外设及接口电路，用c 语言及汇编语言开发，组成一个多功能信号发生器。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 比较多种信号发生器的工作原理，分析它们的优缺点，最后确定了以d d s 技术为 核心研制信号发生器的方案。对d d s 的工作原理和优缺点做了简单的介绍和分析。比较了 不同类型的d d s 芯片的特点，选择了a d 9 8 5 4 ，并围绕a d 9 8 5 4 合理选择了信号发生器的 其他主要器件。 ( 2 ) 系统总体方案设计。将d d s 信号发生器的系统分为3 部分：信号的产生与控制、人 机交互以及信号的处理。 ( 3 ) 系统的硬件设计。完成系统的硬件总体设计，对具体实现电路进行详细的分析和 设计，并就实际设计中出现的问题提出了处理的方法。 ( 4 ) 系统软件设计。系统的具体实现，对系统按功能模块进行介绍。并对系统的实时 抗干扰作了分析j 。 ( 5 ) 系统测试报告。分别对系统的功能测试、调试过程和系统的使用方法进行介绍， 并给出了实物图。 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 第二章信号发生器的系统分析 本章首先列出了信号发生器的技术指标，然后按照技术指标的要求来选择恰当的器件， 分三个模块进行系统级的讨论。三个模块分别为d d s 信号产生模块、人机交互模块、信号 处理模块。 2 1d d s 信号发生器的指标要求 d d s 信号发生器的性能指标是经过市场调研并综合考虑了同类型产品的指标后，为实 现使用简单，性能优良的特性而提出来的，具体的性能指标要求如下。 频率范围：o 1 h z 6 0 m h z 频率分辨率：0 0 5 h z 频率稳定度：1 1 0 1 7 输出幅度：0 5 2 0 v 输出波形：正弦波、方波( t r l 电平) 、三角波等 2 2d d s 芯片的选择 d d s 芯片的选择是频率合成源系统设计的关键，最终输出波形的质量取决于d d s 所 产生波形信号的性能。 2 2 1d 瞻芯片选取原则 信号发生器关键的指标之一就是输出信号的频率范围。假设d d s 的工作时钟频率是 ，0 。，由于d d s 是一个采样系统，所以由奈奎斯特定理可知，理论上d d s 输出信号频率 范围为o 5 0 南，考虑到低通滤波嚣的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制， d d s 实际输出频率范围可达：o 4 0 ，。另外输出频率相对厂c m 越低越好，这样可以 取得较低的噪声。 信号发生器的另一个关键指标是选择的d d s 芯片的s f d r 性能要好。相位截断误差带 来的杂散分布和杂散大小情况与频率控制字阡备、频率控制字字长n 、相位截断长度b 有 关i s 。a d 9 8 5 4 的d d s 内核具有4 8 b i t 的频率分辨率，相位截断1 7 b i t 保证了优良的无杂散 4 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 动态比( s f d r ) 指标1 9 】。 2 2 2 主流d d s 芯片的比较 a d 公司提供了众多d d s 集成芯片，目前已经成为主流d d s 芯片市场的最大的供应 商。a d 公司的d d s 产品分为三大系列：a d 9 8 3 x t l q 系列、a d 9 8 5 x ( “ 系列和a d 9 9 5 x f l 3 1 系列。 a d 9 8 3 x 系列是低价格低功耗型。它的最高工作频率是5 0 m h z 。片内整合1 0 位d a c 。 其中a d 9 8 3 4 集成了比较器，可以直接输出方波；只有a i ) 9 8 3 4 和a d 9 8 3 3 具有直接输出 三角波形的特点。 a d 9 8 5 x 系列是高功耗高性能型。它是a d 公司推出较早，认知度较高的系列。这个 系列的最高工作频率达到1 g h z 。此系列内所有芯片的输出无杂散动态范围都很高，芯片接 口类型均具有串行和并行两种，且都可以输出方波。这个系列的另外一个特点是：除a d 9 8 5 0 和a d 9 8 5 1 外，其他成员都具有多种调相和调频功能。a d 9 8 5 4 为正交输出。a d 9 8 5 6 和 a d 9 8 5 7 是d d s 内核基础上的数字正交变频器。a d 9 8 5 3 、a d 9 8 5 6 、a d 9 8 5 7 被广泛应用 于无线通信中。 a d 9 9 5 x 系列是低功耗高性能型。它是a d 公司近两年推出的用于通信系统的d d s 芯 片。此系列内所有成员工作频率都高达4 0 0 m h z ，d a c 分辨率都高达1 4 位，通信方式都 是串行接口，最高功耗仅2 0 0 m w 。a d 9 9 5 3 和a d 9 9 5 4 包括用户可编程的3 2 k r a m ，用于 实现可编程的模拟调制和数字调制。【1 4 1 通过对三大系列的d d s 进行比较，本系统中采用了a d 9 8 5 x 系列中的a d 9 8 5 4 a s t 作 为信号发生器的核心。a d 9 8 5 4 a s t 输出频率高，可以实现各种调制，方便实现多种自动扫 频和可控扫频，相位噪声性能好，价格适中，在国内可以直接购买，除了功耗大这个缺点 外。其他各方面的性能指标和功能参数都满足信号发生器的要求。根据其数据手册的详细 描述。对a d 9 8 5 4 的特点做出如下总结。 ( 1 ) 数字合成的正交i 和q 路输出。 ( 2 ) 最高系统时钟为3 0 0 m h z ，可输出频率范围为0 1 2 0 m h z 。 ( 3 ) 片内集成4 2 0 整数倍频器，减轻了外部参考时钟设计的压力。参考时钟可以单 端输入也可差分输入。 ( 4 ) 片内集成抽样函数滤波器s i n ( x ) & ，即反辛格函数，补偿函数起伏特性，使其蝠 频响应平坦。 ( 5 ) 两个4 8 位频率控制字，相位累加器高1 7 位寻址正弦查询表r o m ；两个1 4 位相 位控制字，方便实现b p s k 调制；1 2 位幅度控制字，可实现a m 功能。 ( 6 ) 1 2 位双d a c ，配合片内高速比较器，可以输出高达2 0 0 m h z 的方波信号。 ( 7 ) 宽带和窄带的s f d r ( 无杂散动态范围性能) 都很好，即杂散抑制。 5 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 ( 8 ) 数字供电和模拟供电都是3 ，3 v ，在3 1 2 5 v 3 4 6 5 v 范围内都可保证指标， ( 9 ) 高达1 0 m h z 的2 线或3 线串行接口；8 位数据线，6 位地址线，高达l o o m l 4 _ z 的并行接口ai 0 口均与工业标准的d s p 和单片机兼容。 ( 1 0 ) a d 9 8 5 4 有两种封装：a d 9 8 5 4 a s q 和a d 9 8 5 4 a s t 。a s q 工作频率高达3 0 0 m i - i z ， 功耗3 w ；a s t 工作频率高达2 0 0 m i - i z ，功耗2 w ，本系统使用a d 9 8 5 4 a s t 。 2 3 系统总体方案分析 系统结构组成如图2 1 所示，主要有单片机控制模块、键盘与显示模块、数字合成模 块、滤波模块及运放模块。其中，信号产生由单片机控制模块和数字合成模块实现，键盘 与显示模块则用来实现人机交互的功能，滤波模块及运放模块用来对信号进行后期处理。 图2 1 系统组成结构 用户从仪器面板上按键输入命令，数据将显示在字符型l c d 上，并将命令传输到单片 机，再由单片机控制d d s 芯片输出信号，并通过后级信号调理电路，最后输出所需的信号。 2 3 1 信号产生的设计与实现 信号发生器作为现代电子产品中的重要一员，必须满足高精度、高速度、高分辨率等 要求。故信号的产生采用d d s 专用芯片a d 9 8 5 4 ，它的主要特点为：内部高速、高性能的 正交d a 转换器和高速比较器实现数字合成的i 和q 路输出。当输入一个准确的参考频率， a d 9 8 5 4 就产生两路高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，经控制选择可 输出方波。其工作频率为2 0 0 m h z ，最大输出频率为2 0 0 m , h x 4 0 0 f 8 0 m h z ，而要求输出的 频率范围最大为6 0 m h z 。a d 9 8 5 4 内部有1 1 个寄存器，包括四个控制寄存器，用来选择 五种工作模式；频率、相位寄存器各两个，幅度寄存器一个，用来实现模拟调制和数字调 6 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 制。 控制芯片采用w m b o n d 公司的8 位单片机w 7 8 e 5 8 芯片，它是5 1 系列单片机兼容的 微控制器，具有高性能、高可靠性及低价格的特点。w 7 8 e 5 8 的晶振可高达4 0 m h z ，内部 有2 5 6 个暂存寄存器和3 2 k b 的f l a s he e p r o m ，6 4 k 字节的程序存储器地址空间和6 4 k 字节的数据存储器地址空间，4 个双向1 1 0 口，3 个1 6 位定时，计数器，两级8 个中断源和 1 个串行通信接口。w 7 8 e 5 8 有两种节电模式，空闲模式和掉电模式，可由软件来控制选择。 用户编制的程序及需要显示的英文字母、数字、汉字、曲线和图形都可以存储在f l a s h e e p r o m 中，免去了扩展外部存储器的麻烦，使得以w 7 8 e 5 8 单片机为核心的控制系统电 路更简单。 由于w 7 8 e 5 8 是5 v 电压供电，而a d 9 8 5 4 的i o 接口电压是3 3 v ，两者之间存在电 平不匹配的问题，所以经过w 7 8 e 5 8 输出的数据，不能直接传送给a d 9 8 5 4 ，因此需要加 一个电平转换器，本系统中选用了公司s n 7 4 l v c h l 6 2 4 5 a 【1 1 ( 贴片式封装) 来实现这 一转换。它把单片机输出的5 v 电平转换成3 3 v 电平，实现w 7 8 e 5 8 与a d 9 8 5 4 的接口。 此器件具有1 6 位宽数据总线，并可通过两个d i r 和o e 引脚分别控制两个8 位的数据传输 方向。多个低导通电源和接地引脚可最大限度地降低噪声及接地触点的跳动。 2 3 2 信号的显示与控制 信号的显示与控制由单片机控制键盘显示模块和串口通信实现。 键盘的设计必须满足键盘接口占用单片机的i o 口少，同时能够提供足够的键数，故 采用行列式键盘【1 6 l 键盘共设有1 6 个键，其中包括数字键、单位键及功能键，用来对所需 信号的频率、幅度及功能进行控制，最后输出的信号频率、幅度等信息通过液晶显示屏显 示出来。 显示部分采用点阵字符型液晶显示器，点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、 字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器皆把l c d 控制器、点阵驱动器、 字符存贮器全做在一块印刷板上，构成便于应用的液晶显示模块。u ”经比较后选用南京国 显公司的g x m l 6 0 2 n s l i l ，它的核心是h d 4 4 7 8 0 。h d 4 4 7 8 0 具有简单而功能较强的指令 集，可实现字符移动、闪烁、画面移位、睡眠模式等功能。与w 7 8 e 5 8 的数据传输可采用 8 位并行传输或4 位并行传输，可显示两行共3 2 个点阵字符。h d 4 4 7 8 0 支持用户白定义字 符，故可以通过编程将频率、幅度、波形等汉字及数字信息显示出来。 本设计中还采用了通信接口( r s 2 3 2 ) 与p c 机相联，p c 机的控制命令可以与w 7 8 e 5 8 进行交互，控制信号发生器的输出。 7 南京信息工程大学硕士论文基于d d s 的信号发生器的研制 2 3 3 信号的处理 理想的d d s ，是满足以下三个条件的d d s 1 9 】口。j ： ( 1 ) 相位累加器的输出全部用来作为寻：t t l ：r o m 的地址码。 ( 2 ) r o m ：存储的幅度数值没有量化误差，h f d a c 的分辨率为无穷大。 ( 3 ) d a c 不存在转换误差，完全理想。 在上述条件下，整2 - d d s 相当于一个理想的采样保持电路，如图2 2 所示。 采样器 保持电路 s i n ( 2 a f o t ) ) d d s c o r e 1 lh 一以) 图2 2 理想的叻s 等效为米样保行电蹯 d d sc o r e o 日包括相位累加器和正弦查询表，相当于一个理想的采样器，采样周期 t c u c = 1 f ，d a c 则相当于一个理想的保持电路，其冲激响应为： ii ，t 元( f ) 5 弋o ，0 t 7 x 1 0 6 最小11 7 d b 共模抑制比 6 0 m h z 带宽 经过以上的叙述，所采用的设计方法基本满足信号发生器的各项性能指标。 9 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 第三章信号发生器的硬件设计 根据所选用芯片的数据手册设计具体的硬件电路，主要包括信号发生器电源设计、信 号产生与控制的电路设计、人机交互模块的电路设计、信号处理模块的电路设计以及印刷 电路板设计中应注意的若干问题。 3 1 电源与复位电路设计 本系统是多电源系统，使用四种共地电源： + 5 v ，+ 3 3 v ，+ 1 5 v ，一1 5 v ，其中：单 片机w 7 8 e 5 8 、液晶显示模块g x m l 6 0 2 n s l 、串口通信芯片m a x 2 3 2 等需要+ 5 v 的供电电 压，d d s 芯片a d 9 8 5 4 及电平转换芯片s n 7 4 l v c h l 6 2 4 5 a 需要+ 3 3 v 的供电电压，运放 芯片m a x 4 3 7 需要+ 1 5 v 、一1 5 v 的供电电压。图3 1 即为电源部分电路设计图。 3 1 1 电源设计 1 变压器的选择m 本系统中所需电源电压为直流电压，最高值为1 5 v ，稳压块压降为2 v ，所以稳压前直 流电压为士1 7 v 。由于电网提供的交流电有效值为2 2 0 v ，则变压后交流有效值为1 2 v ，能 满足整流为1 7 v 直流电压。选用南京首圣电子公司的三抽头变压器，抽头在次级线圈的中 心位置，初级为2 2 0 v 次级为：t ：1 2 v 。当给信号发生器提供2 2 0 v 的交流电源，变压器就输 出两组大小相同、相位相反的交流电压，峰值分别为+ 1 7 v 和一1 7 v 。 2 整流桥的选择“ 整流桥的作用是利用单向导电性能的半导体二极管，将正负交替的正弦交流电压变换 成单方向的脉动电压。虽然要求的电源电流小于1 a ，但变压器副线圈电流瞬时值远远超过 1 a ，尤其在电源刚接通时，为留有一定余量，而且不损坏整流桥，选用2 a 的。由于整流 桥的每个二极管都是半相通，半相不通，所以其反向耐压值要求很高，为留有一定余量， 选用5 0 v 。最后选定整流桥为2 a 5 0 v 。 3 稳压芯片的选择“” 选择常用的三端稳压块，其内部电路由基准电路、比较电路、调整电路、采样电路、 保护电路等组成，外部电路简单，用于直流稳压。根据电压需求，选用m c 7 8 0 5 【2 4 1 、 m c 7 8 1 5 ”、m c 7 9 1 5 2 5 】和l m 3 1 7 9 “，分别实现+ 5 v ，+ 1 5 v ，一1 5 v ，+ 3 3 v 的电压输出。 其中m c 7 8 0 5 、m c 7 8 1 5 和m c 7 9 1 5 集成块输出电压为固定值，即集成块名的后两位，7 8 系列输出为正电压，7 9 系列输出为负电压。l m 3 1 7 则可以通过调节1 引脚的电阻值得到范 围为3 v 3 7 v 的电压。 1 0 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 l t 6 5 u il m 3 1 7 a 哂 焉。耳 翟 三 苎+ c 11 0 0 i 忙 t g m 圈3 1 电源电路设计图 4 滤波电容及电阻的选择【2 2 j 电路中在三端稳压块的输入端接有1 0 0 0 p f 的电容，是为抵消输入时的电感效应，以防 止稳压块产生自激振荡，保证正常工作。在三端稳压器输出端接有0 1 心或1 0 旷电容， 这是为了消除电路的高频噪声，改善负载瞬态的响应。为了使l m 3 1 7 输出+ 3 3 v 的电压， 对r 1 的电阻值进行计算，并通过在面包板上实际调节，最终得到r 1 值为2 3 0 n 时可满足 输出要求。 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 3 1 2 复位电路 应用系统需通过可靠复位之后才能有序执行程序。在本系统中，单片机的复位是靠外 部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在w 7 8 e 5 8 ”的r s t 引脚上出现2 4 个时钟振荡脉 冲( 2 个机器周期) 以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。复位电路容易受噪声 干扰，为了保证应用系统可靠地复位，r s t 引脚必须保持1 0 m s 以上的高电平8 “。 本系统具有上电复位功能。此电路仅用一个电容及个电阻。系统上电时，在r c 电 路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使r e s e t 端电平呈高电位，系统复位。经 过一段时间，电容充电，使r e s e t 端呈低电位，复位结束。复位电路如图3 2 所示。 i j 6 c 6 + 5 v o _ 丑 h h 州蘑 r 6 s w d 口b 0 m e a 册 p s 日q v c c a l 卯 v s s t m r 如 r e 妍 t l p l0 p 1 _ 1 p 12 p l 3 p 1 4 p 1 _ 5 p 1 p 1 ；奠 p 2 6 p 2 7 p 0 0 p n l p 0 2 p o 3 p 0 4 p 0 5 p 0 6 p 0 7 p 2 5 p 2 4 p 2 3 p 2 , 2 p 2 1 p 2 0 p 3 6 p 3 7 一p 3 3 p 3 4 硼挚烈 圈3 2 复位电路 3 2 信号的产生与控制电路设计 信号的产生与控制部分电路由单片机w 7 8 e 5 8 与d d s 芯片a d 9 8 5 4 组成，用户通过键盘 输入的信号要求被w 7 8 e 5 8 接收，并经其处理后将计算出的控制字传送始 a d 9 8 5 4 ，由 a d 9 8 5 4 产生频率幅度可控的信号。下面以a d 9 8 5 4 为中心，对参考时钟源、芯片控制方法 等问题加以讨论。 鬻需 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s 的信号发生器的研制 3 2 1a d 9 8 5 4 和w 7 8 e 5 8 的接口 a d 9 8 5 4 有1 0 m h z 串行接口和1 0 0 m h z 8 位并行接i e l 2 种方式可以选择， i a d 9 9 x x 系列 不同，因为没有内置r a m ，所以在实现可编程调制功能时，必须使用及时刷新内部寄存器 的方法，所以只能使用高速并行接口。此处将s ps e l e c t ( p i n7 0 ) 引脚接高电平，选择 并行传输方式。a d 9 8 5 4 并行接口有6 根地址线，8 根数据线。w 7 8 e 5 8 的体系结构包括一个 外围有多个寄存器的核心控制器，4 个通用i ，o 口，2 5 6 字节的r a m ，3 个定时器，计数器和一 个串行口。w 7 8 e 5 8 除了要控制a d 9 8 5 4 ，还要控制键盘及液晶显示等外围i o 器件，故数据 线和地址线要复用。 s n 7 4 l v c h l 6 2 4 5 是双向输入输出的低压1 6 位c m o s 收发器，用来协调3 3 v 丰n s v 器件的 信号传输。本系统中只需要单向传输数据，f l p w 7 8 e 5 8 向a d 9 8 5 4 传输数据。对于 s n 7 4 l v c h l 6 2 4 5 来说，引脚l d m 和2 d i r ：分另l j 控制1 a 1 b 和2 a 2 b 端臼，当1 d i r 和2 d 1 r 均为 高电平时，数据由l a 和2 a 端口传至l j l b 和2 b 端口；当两引脚都为低电平时。数据由1 b 端口 和2 b 端口传到1 a 和2 a 端口，也可以分别控制使a 和b 端口传向相反。针对本系统的情况， 可以将引脚l d m 和2 d i r g 脚始终接高电平，即始终由w 7 8 e 5 8 通过a 端口将数据传到b 端 o j d + 5 - 4 0 十 c6+sv 一卜_ 1 卜 t 1 p 1 0 p 1l p l 2 p 13 p i 4 p 15 p i6 p i7 p 2 6 p 27 p 0o p 0 l p 02 p 03 p 04 p 05 p n 6 p n 7 u 71 6 2 1 0 ei m 2 0 e 2 d 峨 1 a 11 8 1 1 a 2l b 2 1 a 31 8 3 l a 4i b 4 1 ml b 5 1 a 61 8 6 1 a 71 8 7 1 a 81 8 8 2 l2 b l 2 a 22 8 2 2 a 32 8 3 2 a 42 8 4 2 a 52 8 5 2 a 62 8 6 2 a 72 8 7 2 a 82 8 8 趣 r 】0 1 2 0 戳器戳嚣爨。 二：鎏 芏藩匡一 南京信息工程大学硕士论文基于d d s 的信号发生器的研制 2 a l 2 a 2 2 a 3 2 a 4 2 a 5 2 a 6 2 a 7 2 a 8 2 b l 2 8 2 2 8 3 2 8 4 2 8 5 2 8 6 2 8 7 2 8 8 + 3 3 v 叫 卵卜乓 1 4 1 1 2 0 3 v f o u d c d 正fc l k d 也蚯正 p i l h l i d a cr s d 1 0 吼 虻帅 帕u n 耵u r i v 州 v 研 v 哪 d a c b p s h a h d k e y 】h 】g r l k s 伊s e c t w r ，s c l k r d c s m s _ 噩r e s e t f 鳏佃p s 弘啪 r 日i 盖 d v d d d v d o d v d d d v d d d v d d d v d d d v d d a v a v d d a v d d a v d d a v d d a v d d a v d d a v d o a v d o 妻至磐丝 兰枷v 皆5 1 k r 2 0 塑一 5 1 k 4 3l p f o g m g m 翔p 岛 ，v i g n d 图3 4a d 9 8 5 4 与l v c h l 6 2 4 5 电路连接幽 口，再由b 端口传送给 a d 9 8 5 4 。s n 7 4 l v c h l 6 2 4 51 0 e 和2 0 e 引脚为芯片的片选信号输入 端，分别控制两个8 位数据端的传输，低电平时有效。当该引脚为高电平时，芯片的数据线 处于高阻状态a 如图3 3 、3 4 所示，w 7 8 e 5 8 的p 0 0 至p 0 7 端1 3 通过电平转换芯片l v c h l 6 2 4 5 a 的1 a 1 1 a 8 端1 2 1 输入，1 b l 1 8 8 端口输出与a d 9 8 5 4 的d 0 至d 7 端口相连传输数据信息，p 2 0 至p 2 5 端口通过l v c h l 6 2 4 5 a 的2 a l 2 a 6 端口输入，2 b l 2 8 6 端口输出与a 0 = 至_ a 5 端e l 相连传输 寄存器地址信息，p 3 6 、p 3 7 通过l v c h l 6 2 4 5 a 的2 a 7 、2 a 8 端口输入，2 8 7 、2 8 8 端口输出 分别与w r 、r d 两个引脚相连控制读写操作，由这三部分共同组成并行传输控制。例如， 当w r 引脚置低电平时，频率控制字通过数据端口送入i o 缓冲寄存器，再由内部的刷新时 1 4 2888ll瓣8lllllll822l 瑚m磁m饼j兮所嘞砌m啪坫斛他m 肌 腿 埘m啪哪|墨阱m|厩滗滤攥潞 ”一 钉一拍一一一一柏一弛一”一 一”一”一弛一一生 玎一拍一 摹覃 w 叮叭 a o 王 南京信息工程大学硕士论文 基于d d $ 的信号发生器的研制 钟把控制字写入指定地址的寄存器。w 7 8 e 5 8 拘p 3 5 引脚控制l v c h l 6 2 4 5 的o e 引脚，当向 a d 9 9 5 4 传输数据时置低电平，当向液晶显示嚣传输数据时，置高电平，使l c h l 6 2 4 5 处 于高阻状态。w 7 8 e 5 8 的p 3 3 引脚与a d 9 8 5 4 的m a s l e rr e s e t b i b 却( p i n 7 1 ) 相连，对其 进行复位控制；p 3 4 引脚与f s l p s l 矾 o l d 引脚( p i n 2 9 ) 相连，对其进行数字调制方式 的控制。 3 2 2 参考时钟 a d 9 8 5 4 内置4 2 0 整数倍频器，能把外部较低频率的参考时钟通过倍频转换, 或2 0 0 m v , z 的参考时钟。这样降低了设计高频参考时钟的难度，简化电路的设计，但会使输出频率性 能恶化。 根据p l l 1 理论，p l l 的相位噪声性能取决于环路宽度和倍频倍数。环路滤波器可以 有效的滤除带外的参考时钟分量，但对带内的频率却有恶化作用，环路带宽内，在参考时 钟端出现的任何噪声，都会以倍频数成比例的增加，噪声对窄带s f d r ：有r 严重的恶化，其恶 化关系是d b = t o l g x ，其中x 是指倍频数，导致其噪声基底高，近端噪声大。此外，p l l 还 会使工作电流增大约1 0 0 m a ，增加d d s 发热量。但是考虑到d d s 输出频率最高达到6 0 m h z ， 根据，。w = 4 0 厂c 口，可以得到参考时钟要满足要求必须达到1 5 0 m h z ，本系统中a d 9 8 5 4 选用2 0 0 m h z 的参考时钟，可以满足要求。但如果选购2 0 0 m h z 时钟，价格很高，考虑到成 本的限制，因此还是用低频率晶振p l l 方式提供参考时钟。 本设计中a d 9 8 5 4 与w 7 8 e 5 8 共用一个2 0 m h z 晶振，连接如图3 3 、3 4 中所示。它能满足 此单片机的需求，而同时2 0 m h z ) ) , , a d 9 8 5 4 的r e f c l k 端输入，在芯片内部经过1 0 倍频后产 生2 0 0 m h z 的肘钟信号满, 巳a d 9 8 5 4 的需求。 3 2 3 频率相位与幅度控制 a d 9 8 5 4 内置一个地址范围为0 0 h 2 7 h 的寄存器表，分为1 1 组，其中有7 组寄存器存放 关予频率、相位、幅度的数据，要输出所需信号的关键就在于写入这些寄存器中的值。 寄存器表中0 0 h 、0 1 h 和0 2 h 、0 3 h 单元分别为相位寄存器l 和相位寄存器2 ，存放1 4 位 的相位控制字l 和相位控制字2 。单频工作时，将1 4 位相位控制字分2 个时钟周期写入相位寄 存器1 ，再更新脉冲，信号就以新的相位输出。 寄存器表中0 4 h 0 9 h 和0 a h 0 f h 单元分别为频率寄存器i 和频率寄存器2 ，存放4 8 位 的频率控制字1 和频率控制字2 。单频工作时，只要将4 8 位频率控制字分6 个时钟周期写入频 率寄存器1 ，再更新脉冲，信号就以新的频率输出。 寄存器表中2 1 h 、2 2 h 和2 3 h 、2 4 h 单元分别为正弦幅度寄存器和余弦幅度寄存器，存 南京信息工程大学硕士论文 基于d d s