毕业设计（论文）-基于DDS信号发生器设计.doc

武汉大学珞珈学院本科毕业论文保 密 类 别 编 号xxxxxxxxx xxxxxxxx毕 业 论 文基于DDS信号发生器 系 别 专 业 年 级 学 号 姓 名 指导老师 xxxxxxxx年 xx月xx 日摘 要 信号发生器是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备之一。随着现代电子技术的发展，基于DDS的信号发生器设计具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景。论文介绍了频率合成的概念、发展以及直接数字频率合成技术（即DDS技术）的现状和发展趋势。在认真分析了DDS的工作原理及其基本结构的基础上，设计了一种结构简单性能优良的DDS信号发生器。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。测试结果表明，设计的DDS信号发生器产生的正弦波信号完全满足设计要求。能产生不失真的正弦波，正弦波频率在1kHz30MHz范围内，频率稳定度优于10-3。本系统最大的特点是，输出的正弦波信号具有很高的幅度稳定性，其幅度在通频带内变化量小于1dB。本设计可以通过键盘、显示器等人机接口进行信息交换，实现了操作的智能化。关键词：信号发生器 DDS AD9851 单片机 频率合成IThe Design Of DDS Signal GeneratorAbstractSignal Generator is a modern electronic system is an important part of the electronic system is to determine the performance of key equipment. With the development of modern electronic technology, DDS-based signal generator design has very important practical significance and broad application prospects.This paper uses the first integrated chip-based DDS signal generator design. This paper introduces the concept of frequency synthesis, development and direct digital frequency synthesis (DDS technology ie) the status quo and development trends. After carefully analyzing the working principle of the DDS and the basic structure of the case, the design of a simple structure and excellent performance of the DDS signal generator. The hardware portion of the signal generator consists of three modules, namely, signal generation and control modules, interactive modules and signal processing module.Test results show that the DDS sine wave signal generator frequency output designed to fully meet the design requirements. Sine wave output frequency 1kHz 30MHz range, can produce undistorted sine wave, frequency stability better than 10-3, passband amplitude variation is less than 1dB. The system outputs the sine wave signal with high amplitude stability. The system can be via the keyboard, monitor, and other man-machine interfaces for information exchange, to achieve intelligent operation.Based on the proven design of integrated chips based on DDS signal generator design is entirely feasible.Keywords: Signal Generator DDS AD9851 single-chip frequency synthesizerII目 录第1章 绪论1.1 研究背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外的研究状况21.4 设计基本要求及应完成的成果形式3第2章 系统总体方案设计及原理分析2.1 方案论证与选择42.2 系统总体方案设计42.3 DDS技术的基本原理52.4 DDS的工作特点6第3章 系统的硬件电路设计3.1 单片机控制电路83.1.1 单片机与键盘的接口83.1.2 单片机与液晶的接口103.1.3 单片机与AD9851的接口113.2 基于DDS的波形合成电路113.2.1 AD9851的性能和特点123.2.2 OPA690的性能与特点133.2.3 波形合成电路133.3 低通滤波器的设计143.4 幅度控制电路153.4.1 DAC7811的性能和特点153.4.2 DAC7811做衰减电路原理153.5 功率放大电路163.5.1 THS3091的性能与特点163.5.2 功率放大电路设计17第4章 系统的软件设计4.1 程序流程图184.2 AD9851程序设计194.2.1 频率/相位的控制194.2.2 并行工作方式194.2.3 单片机程序设计20第5章 系统的调试结果5.1 系统的性能测试与分析215.2 实际电路中的遇到的问题23结 论24参考文献25附录 系统电路总图26附录 系统程序26后 记35第1章 绪论随着现代电子技术的发展，在自动化系统、通信系统，电子对抗以及各种电子测量技术中，我们常常需要一个高精度、频率可变的信号源。近年来随着直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis，简称DDS）的发展，DDS技术所具有的频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等优点，使DDS信号发生的设计与应用成为电子电路设计的重要课题。1.1 研究背景 直接数字频率合成技术 (Direct Digital FrequencySynthesis ,即 DDFS。它采用全数字方法，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。目前，实现DDS技术的方法主要有两种：采用FPGA构成DDS和采用集成DDS芯片。利用FPGA 构成DDS可以根据需要方便地实现各种比较复杂的功能，具有良好的使用性能，但是利用FPGA设计的DDS电路采用全数字式编程结构，不可避免的引入杂散，因此输出的杂散干扰相对较大。就合成信号的质量而言，由于专用DDS集成芯片采用特定的集成工艺，内部数字信号抖动很小，可以输出很高质量的模拟信号。因此，直接采用集成DDS单片芯片设计合成信号发生器越来越成为主流设计。1.2 课题研究的目的和意义信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。随着电子信息技术的发展，对其性能的要求也越来越高，如要求频率稳定性高、转换速度快，具有调幅、调频、调相等功能，另外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率，同时要有确定的相位差。因此，对更高性能的信号发生器的设计与研究具有重要意义。随着数字信号处理和集成电路技术的发展，直接数字频率合成（DDS）的应用也越来越广泛。DDS具有相位和频率分辨率高、稳定度好、频率转换时间短、输出相位连续、可以实现多种数字与模拟调制的优点，而可编程逻辑器件（FPGA）具有集成度高、通用性好、设计灵活、编程方便、可以实现芯片的动态重构等特点，因此可以快速地完成复杂的数字系统。但由于模拟调相方法有生产性差、调试不方便、调制度控制不精确等缺点，采用数字方法实现各种模拟调制也越来越普遍。由于现在许多DDS芯片都直接提供了实现多种数字调制的功能，使用更为简单方便。因此，采用DDS芯片的DDS信号发生器设计方案已成为目前信号发生器设计的主流方案。1.3 国内外的研究状况 自80年代以来各国都在研制DDS产品，随着基础电路制造工艺的逐步提高，通过采用先进的工艺和低功耗的设计，DDS的工作速度已经有了很大的提高并广泛的应用于各个领域。其中以AD公司的产品比较有代表性。如AD7008，AD9850，AD9851，AD9858，AD9953等，其系统时钟频率从30MHz到1GHz不等。这些芯片还具有调制功能，如AD7008可以产生正交调制信号，AD9852可以产生FSK、PSK、线性调频以及幅度调制的信号。芯片内部采用了优化设计，大多采用了流水技术，提高了相位累加器的工作频率，进一步提高了DDS芯片的输出频率。通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下，相位累加器的字长可以设计的更长，如AD9953的相位累加器达到了32位。同时为了抑制杂散，这些芯片大多采用了随机抖动法提高无杂散动态范围。运用DDS技术生产的任意波形信号发生器是一类较新的信号源并已经广泛投入使用。它不仅能产生传统函数信号器能产生的正弦波、方波、三角波、齿波，还可以产生任意编辑的波形。由于DDS的自身特点，还可以很容易的产生一些数字调制信号，如FSK、PSK等，一些高端的信号发生器甚至可以产生通信信号。同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高.虽然DDS技术的应用日益广泛，但是目前可以产生多种通信信号的仪器数量很少而且价格非常昂贵，在现代的通信对抗和无线电监测研究中，人们多使用的是基于DDS技术的任意波形发生器，使用前需将所需波形的数据输入仪器，过程比较繁琐，信号参数改变时需重新产生和输入数据，操作也不很方便，使DDS技术的使用受到了限制。如何合理地基于DDS技术研制出一种新型的结构简便、易于操作、成本低廉的信号发生器是本文的主要内容。由于DDS的自身特点决定了它存在以下两个比较明显的缺点：一是输出信杂散比较大，二是输出信号的带宽受到限制。DDS输出杂散比较大这是由于信号合成过程中的相位截断误差、D/A转换器的截断误差和D/A转换器的非线性造成的。随着技术的发展这些问题正在逐步得到解决。如通过增加波形ROM的长度减小相位截断误差，通过增加波形ROM的字长和D/A转换器位数来减小D/A转换器产生量化误差。最新的DDS芯片中采用了14bit的D/A转换器。 国内外学者在对DDS输出的频谱做了大量的分析以后，总结出了误差的频域分布规律建立了误差模型，在分析DDS频谱特性的基础上又提出了一些降低杂散功率的方法，可以通过采样的方法降低带内误差功率，可以用随机抖动法提高无杂散动态范围即在D/A转换器的低位上加干扰打破DDS输出的周期性，从而把周期性的杂散分量打散使之均匀化。 为了迸一步提高DDS的输出频率，产生了很多DDS与其他技术结合的频率合成方法。如当输出信号是高频窄带信号的时候可以用混频滤波的方法扩展DDS的输出，也可以利用DDS的频谱特性来产生高频信号，如输出它较高的镜像频率。DD和PLL相结合的方法也是一种有效的方法。这种方法兼顾了两者的优点，既有较高的频率分辨率，又有较高的频谱纯度。DDS和PLL相结合一般有两种实现方法：DDS激励PLL的锁相倍频方式和PLL内插DDS方式。1.4 设计基本要求及应完成的成果形式本课题需要认真学习和研究DDS这项新技术，广泛阅读有关DDS信号发生器设计的文献和资料，完成DDS信号发生器的设计，其基本要求如下：（1）正弦波输出频率范围：1kHz30MHz；（2）输出频率值可予置，输出频率予置最小步进值：10Hz； （3）输出电压幅度：在负载电阻上的最大输出电压的峰-峰值不小于6V；（4）输出幅度可予置，予置最小步进值：0.5V （电压峰-峰值）；（5）输出信号频率误差：优于10-4；输出幅度误差：优于10-1；输出波形用示波器观察时无明显失真。本课题需要完成DDS信号源的总体设计、电路的制作与调试、软件系统的设计与调试，并给出必要的实验结果。第2章 系统总体方案设计及原理分析2.1 方案论证与选择 方案一采用基于FPGA芯片的解决方案。利用FPGA则可以根据需要方便地实现各种比较复杂的调频、调相和调幅功能，具有良好的实用性，虽然FPGA能输出较高质量的信号，但信号精度有一定的误差，且实现起来过程比较繁琐，对编程有很高的要求。方案二：采用高性能DDS集成芯片的解决方案。随着微电子技术的飞速发展，目前市场上性能优良的DDS产品不断推出，AD9851是AD公司1996年推出的高集成度DDS频率合成器，采用了先进的DDS技术。AD9851可产生一个频谱纯净、频率和相位都可程控的正弦波信号输出。AD9851不仅外围电路简单，而且其接口控制也很简单，可以用8位并行口或1位串行口直接输入频率、相位等控制数据，对于编程技术要求不高。32位频率控制字，在180MHz的时钟控制下，输出频率分辨率达0.04HZ。先进的CMOS工艺使AD9851不仅性能指标一流，而且功耗少，在3.3V供电时，功耗仅为155mW。扩展工业级温度范围为-40+85摄氏度。 通过对这两种方案的认真分析和比较，考虑到AD9851集成DDS芯片的优越性能，结合实际情况，本次设计采用基于AD9851的DDS信号发生器设计方案。2.2 系统总体方案设计本系统采用DDS集成芯片的全数控函数信号发生器设计方案。 根据输出正弦波信号的频率带宽和幅度的要求，选用了美国AD公司的AD9851 芯片；通过单片机控制和处理AD9851的32位频率控制字，再经放大、滤波后加至以纯电阻网络的DAC7811为核心的数字衰减网络， 从而实现了信号幅度、频率以及输出等选项的全数字控制。基于DDS的信号发生器系统框图如图2.1所示。 图2.1 信号发生器总体系统框图正弦波功率放大电路幅度控制电路低通滤波器 30M晶振单片机（AT89C51）DDS电路（AD9851）显示按键本系统主要由单片机系统板、DDS直接频率信号合成器、低通滤波器，程控衰减电路、功率放大电路等部分组成。单片机系统是整个系统控制部分，完成对键盘进行扫描读入频率，幅度信息，频率信息经转换后输出到芯片AD9851等功能。AD9851产生对应频率的正弦波，通过差分放大电路对正弦波信号进行放大；利用滤波电路，改善DDS输出频谱的杂散，使其输出频谱更加纯净；通过幅度控制电路调节正弦波输出幅度；通过功率放大电路增加输出电流，增强系统带负载能力。 用户从仪器面板上按键输入命令，键盘输入的数字信息经AT89C52控制的LCD1602显示。单片机控制DDS芯片输出信号，通过后级信号调理电路，输出所需的信号。整系统实现了正弦波信号输出频率、幅度预置，具有良好的人机交互功能。2.3 DDS技术的基本原理DDS的基本工作原理：任何频率的正弦波都可以看做由一系列的取样点构成的。因此，可以把一个周期的正弦波行的取样数据预先存放在一段ROM单元，然后在时钟的控制下，按序从这些ROM单元中读出，再经过D/A转换，就可以得到一定频率的正弦信号。 下面就AD9851如何实现正弦波来介绍DDS的基本原理，如图2.2所示。图2.2中层虚线内是一个完整的可编程DDS系统，外层虚线内包含了AD9851的主要组成部分。AD9851内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0360范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动D/A转换器以输出模式量。相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相位地正弦查询表每一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波周期To=Tc*2N/M，频率fout=M*fc/2N，Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。AD9851采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。D/A转换器满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节，调节关系为ISET=32(1.148V/RSET)，RSET的典型值是3.9k。将DAC的输出经低通滤波后接到AD9851内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动很小的方波。AD9851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180MHz的时钟下，32位的频率控制字可使AD9851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。微控制器频率寄存器相位控制字 波形数据表LPF相位累加器DAC 相位寄存器 寄存器 图 2.2 AD9851的结构框图 2.4 DDS的工作特点1.实时模拟仿真的高精密信号 在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的的最佳方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。2.实现各种复杂方式的信号调制DDS也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制，因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的。现代通信技术中调制方式越来越多，BPSK，QPSK，MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。一个32位的相位累加器可产生43亿个离散的相位电平，而相位精度可控制在8103度的范围内，因此，在转换频率时，只要通过预置相位累加器的初始值，即可精确地控制合成信号的相位，很容易实现各种数字调制方式。3.实现频率精调，作为理想的频率源 DDS能有效地实现频率精调，它可以在许多锁相环（PLL）设计中代替多重环路。在一个PLL中保持适当的分频比关系，可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来，从而实现更为理想的DDSPLL混合式频率合成技术。在频率粗调时用PLL来覆盖所需工作频段，选择适当的分频比可获得较高的相位噪声，而DDS被用来覆盖那些粗调增量，在其内实现频率精调。这种方案以其优越的相位稳定性和极低的颤噪效应满足了各种系统对频率源苛刻的技术要求。这也是目前开发应用DDS技术最广泛的一种方法。 第3章 系统的硬件电路设计本课题的功能电路与相关部件较多，为了便于研制期间的调试与最终成品的产业化，系统采用了模块化的思想进行设计。先把各个相关的电路与部件做成相互独立的分离模块，而系统的功能则是通过各模块间的级联来完成的。下面将分别叙述各功能模块及其中所用到的器件、电路以及在系统设计、调试过程中应该注意的问题。3.1 单片机控制电路 AT89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C52增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。AT89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外AT89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。AT89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。3.1.1 单片机与键盘的接口 XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容C20、C21接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C20、C21虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里采用电容30pF，晶振采用11.0592MHz。AT89C52的外部复位电路有上电自动复位和手动按键复位。上电复位电容充电来实现。手动按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。按键电平复位电路是在普通RC复位电路的基础上接一个有下拉电阻10k、上拉电容10f接VCC，电源由开关接至复位脚（和上拉电容并联），上拉电容支路负责在“上电”瞬间实施复位；开关通过10k下拉电阻分压器，保证对单片机实施按键电平复位。电路图如3.1图所示。 图3.1 单片机控制电路原理图 单片机通过CD4068与按键相连，从而用按键来控制单片机内部指令的发送。电路图如3.2所示。 图3.2 单片机与键盘的电路连接图3.1.2 单片机与液晶的接口（1）LCD1602的主要性能 1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。1602型LCD的接口信号说明，如表3.1所示：表 3.1 LCD1602接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极 读状态：输入：RS=L，RW=H，E=H输出：D0D7=状态字读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H输出：无写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无（2） LCD与单片机的连接 图 3.3 LCD与单片机的接口电路 在实际的接线中，1602的DB0DB7与89S52的P0口相接，RS与P3.5相接，R/W与P3.6相接，E与P3.7相接。VL与地之间接一个10k的滑动变阻器来到LCD1602初始显示的调节。3.1.3 单片机与AD9851的接口 单片机与AD9851的接口既可采用并行方式,也可采用串行方式,但为了充分发挥芯片的高速性能,应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式,本设计重点介绍其并行方式的接口。P3.1 I/O方式并行接口I/ O方式的并行接口电路比较简单,但占用单片机资源相对较多,图3.4是I/O方式并行接口的电路AD9851的数据线D0D7与P1口相连, FQ_UD和W_CLK分别与P2.3(10引脚)和P2.4(11引脚)相连,所有的时序关系均可通过软件控制实现。 图 3.4 AD9851与单片机的接口电路 3.2 基于DDS的波形合成电路信号的产生由DDS芯片AD9851与运放OPA690组成。用户通过键盘输入的信号被AT89C52接收，并经其处理后将计算出的控制字传送给AD9851，由AD9851产生频率幅度可控的信号，但AD9851是正负电流输出，需通过电阻转化为电压，再通过运算放大电器OPA690组成的放大电路进行电压放大，送到下一级电路进行工作。下面先具体绍AD9851和OPA690的性能和特点，再介绍由它们组成的波形合成电路。3.2.1 AD9851的性能和特点 本系统采用了美国模拟器件公司生产的高集成度产品 AD9851 芯片。AD9851 是在 AD9850 的基础上，做了一些改进以后生成的具有新功能的 DDS 芯片。AD9851 相对于 AD9850 的内部结构，只是多了一个 6 倍参考时钟倍乘器，当系统时钟为 180MHz 时，在参考时钟输入端，只需输入 30MHz 的参考时钟即可。AD9851 是由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有 6 倍参考时钟倍乘器的 DDS 芯片、10位的模/数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。其中具有 6 倍参考时钟倍乘器的 DDS 芯片是由 32 位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A 变换器以及低通滤波器集成到一起。这个高速 DDS 芯片时钟频率可达 180MHz， 输出频率可达 70 MHz，分辨率为 0.04Hz，能满足本设计的要求。AD9851采用28引脚的SSOP表面封装，其引脚排列如图3.5所示，各引脚定义如下：D0D7：8 位数据输入口，可给内部寄存器装入 40 位控制数据。PGND：6 倍参考时钟倍乘器地。PVCC：6 倍参考时钟倍乘器电源。W-CLK：字装入信号，上升沿有效。FQ-UD：频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效。FREFCLOCK：外部参考时钟输入。 CMOS/TTL 脉冲序列可直接或间接地加到 6 倍参考时钟倍乘器上。在直接方式中，输入频率即是系统时钟；在 6 倍参考时钟倍乘器方式，系统时钟为倍乘器输出。 AGND：模拟地。AVDD：模拟电源(+5)。 DGND：数字地。 DVDD：数字电源(+5)。 RSET、DAC：外部复位连接端。 图 3.5 AD9851管脚示意图VOUTN：内部比较器负向输出端。 VOUTP：内部比较器正向输出端。 VINN：内部比较器的负向输入端。 VINP：内部比较器的正向输入端。DACBP：DAC 旁路连接端。 IOUTB： “互补”DAC 输出。 IOUT：内部 DAC 输出端。 RESET：复位端。低电平清除 DDS累加器和相位延迟器为 0Hz 和 0 相位，同时置数据输入为串行模式以及禁止 6 倍参考时钟倍乘器工作。3.2.2 OPA690的性能与特点 OPA690是一个可提供高宽带，且单位增益稳定，高转换率输入，输出功率能力强的差分输入电压反馈运算放大器。 OPA690采用8引脚的SSOP表面封装，其引脚排列如图3.6所示，各引脚定义如下： +VS:正电压。-VS :负电压。Output:输出端。Inverting Input :反相输入。 图3.6 OPA690管脚示意图Noninverting Input :非反相输入。 3.2.3 波形合成电路AD9851是正负电流输出，需通过参考电阻调节输出电流，再通过外接电阻调节输出电压，最后通过差分运算放大器OPA690进行电压放大。此时参考电阻可选用3.9K，根据AD9851电流输出公式： （3.1）正弦波输出电流为10mA。由于AD9851的最大输出电压为1.5V，所以可通过外接100电阻，转化为1V的电压，最后通过单位增益带宽可达220MHz的差分运算放大器OPA690进行电压放大，它的电压负反馈放大公式为： (3.2)此设计选择放大4倍，所以送入下一级的电压为4V。电路图如图3.7所示。 图 3.7 基于DDS波形合成电路 3.3 低通滤波器的设计 为了使输出的频率不受外界和一些杂波的干扰，需用一个低通滤波器(LPF)滤除高次谐波。常见滤波器的种类及特性如下所示：（1）巴特沃思型：通带内响应最为平坦，偶尔也称为power term filter。（2）切比雪夫型：截至特性特别好，群延时特性不太好，通带内有等波纹起伏。（3）逆切比雪夫型：阻带内有零点，由于椭圆型比它更能得到更好的截止特性，因此，这类滤波器很少使用。（4）椭圆函数型：通带内有起伏，阻带内有零点，截止特性比其他滤波器好，但对器件要求严。（5）塞尔型：通带内延时特性最平坦，截止特性相当差。（6）高斯型：这种函数型的BPF常用于决定频谱分析仪宽带的滤波器中。（7）相位等波纹型：通带内的相位是等波纹变化的。（8）勒让德型：截至特性比巴特沃思型好，并且可以用小的器件值来实现。本设计要求有较好的带内平坦度，并且有较高的带外抑制度，综合考虑所以本次设计采用的无源椭圆函数滤波器。无源滤波电路对阻抗匹配要求较高，为此专门设计了阻抗匹配部分。由于正弦波的最高输出频率为30MHz，为保证30MHz频带内输出幅度平坦且考虑到时钟频率为180MHZ和设计工艺，滤波器电路采用无源7阶30MHz椭圆函数滤波器如图3.11所示。正弦波从OPA690的差分放大电路输出幅度为2V，经过滤波模块阻抗匹配部分的衰减，滤波模块输出电压为1V。图 3.8 7阶30MHz椭圆函数滤波器 3.4 幅度控制电路幅度控制电路很多，一般采用运算放大器来实现。本设计可采用一种基于数模转换器DAC7811的幅度控制电路，利用它的纯电阻网络，从而构成衰减网络来改变输出电压的方式，来满足输出幅度可予最小步进值为0.5V的要求。3.4.1 DAC7811的性能和特点 DAC7811是12位的D/A转换器，使用一个有三线接口的双缓存器，合乎与SPI和大多数SDO接口标准。当运用复合器件时，通过接口SDO可以菊花链式连接；通过SDO口，用户可以回读DAC register的值。上电时，移位寄存器的值0，DAC输出从0开始。外部输入参考电压决定电流的满额输出电流。当连接外部放大器后，反馈电阻可以提供温度跟踪和满额电压输出。DAC7811采用10引脚的SSOP表面封装，其引脚排列如图3.9所示，各引脚定义如下：IOUT1：DAC电流输出 IOUT2：DAC模拟地。GND：数字地。VDD：正电压输入端。可以提供输入2.7V5V的电压。 图 3.9 DAC7811管脚示意图 ：D/A参考电压输入端。 3.4.2 DAC7811做衰减电路原理 DAC7811是一个串行通道的电流输出的12位数模转换器。有一个R2R的梯形结构，有三个分离的MSBS。每一个2R引脚被连接到Iout1或者Iout2末端。这个R2R结构连接一个外部参考输入VREF，可以用来实现DAC的满额电流。这个R2R结构可以外部连接一个10k左右的（反馈）电阻，这个外部参考电压能够在-15V+15V变化，所以实现两极性的电流输出。通过运用外部I/V转换和DAC7811反馈电阻，输出电压可以实现在VREF0之间的变化。图 3.10 DAC7811内部结构图当运用I/V转换和反馈电阻后，这个DAC输出电压计算公式为： （3.3）每一个DAC代码决定着2R引脚是指向Iout,因为DAC的输出阻抗随着代码而变化，则外部的I/V 转换噪声增益也会改变。出于这些因素，外部放大器必须有一个足够低的偏移电压，最终确定这一级的电路如下图3.11所示： 图3.11 幅度控制电路 3.5 功率放大电路3.5.1 THS3091的性能与特点 THS3091是电流型运放，它的最大输出电流为250mA，低失真，低噪声，高压摆率，带宽可达到210MHZ，宽电源电压范围：5 V15 V。 THS3091采用8引脚的SSOP表面封装，其引脚排列如图3.12所示，各引脚定义如下：VIN-：反相输入端。VIN+：同相输入端。VS-：负电源。VS+：正电源。VOUT：输出端。图3.12 THS3091管脚示意图 3.5.2 功率放大电路设计本设计中主要求实现50负载电阻上的最大输出电压的峰-峰值不小于6V，通过欧姆定理：， （3.4）输出电流至少为120mA,而普通运放，输出电流一般为100mA，再根据压摆率公式为： (3.5)算得压摆率为1130V/S，因此我们这里选择电流反馈放大器THS3091，它的输出电流为250mA，最大输出电压为20V，压摆率为7300V/S，带宽可达到210MHZ，同时满足输出电流与输出频率及压摆率要求。其电路图如图3.13所示： 图3.13 THS3091实际电路图 第4章 系统的软件设计系统软件的设计是建立在具体硬件电路基础之上，根据系统功能要求可靠地实现系统的各种功能。好的软件设计能够充分发挥微控制器的运算和逻辑控制功能，从而提高仪器的精度和使用的方便性。4.1 程序流程图通过程序预置频率、幅度，并实现对频率和幅度步进的控制，处理用户由键盘键入的频率值和幅度值，判断是否超出范围，生成频率控制字和幅度控制字，经并行方式分别送入DDS和DAC7811，合成用户所需的频率和幅度，并通过程序实现频率和幅度的显示。程序流程图如图4.1所示。开 始 AT89C52初始化AD9851初始化LCD1602初始化键盘扫描频率或幅度设置显示及数据输出DAC7811初始化YN 图 4.1 程序流程图 4.2 AD9851程序设计4.2.1 频率/相位的控制 表4.1 频率/相位控制字中各位的功能为了使AD9851完成调频、调相等功能，需要向AD9851输入频率/相位控制字。AD9851设置有32位频率控制字和5位相位控制字（共40位）的数据输入寄存器，数据输入寄存器是5个8位的寄存器，因此需要分5次存储。40位的频率/相位控制字各位的功能如表4.1所示。 4.2.2 并行工作方式 此设计AD9851采用的是并行工作模式，并行方式时序如图4.2所示。40位的控制数据通过8位数据总线分5次装入，顺序为W0W1W2W3W4。复位信号RESET有效，使输入数据地址指针指向W0，当WCLK端出现第一个上升沿时，写入第一组8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，WCLK端连续出现五个上升沿后，即完成全部40位控制数据的输入（连续输入5个数据后，WCLK端上升沿就不起作用）。当FQUD端出现上升沿信号时，40位数据会从数据输入寄存器写入频率/相位寄存器，并启动高速DDS按设置的频率/相位输出。与此同时，地址指针复位到第一个输入寄存器，等待着下一组新数据的写入。 图4.2 AD9851时序图4.2.3 单片机程序设计本设计AD9851工作在6倍参考时钟倍乘器方式下，相位置于0，选择非掉电模式，输出信号频率范围为1kHz30MHz。AD9851的外部参考时钟频率为30MHz，设时钟频率，需要合成的频率为，则AD9851的频率控制字可有下式给出： （4.1）根据表4.1给出的控制数据格式，可知单片机主程序如图4.3所示： 图 4.3 单片机主程序 第5章 系统的调试结果5.1 系统的性能测试与分析本系统包含了电源转换模块、单片机模块、波形合成模块、滤波模块，功率放大模块五大部分。测试时，先对系统每一部分进行安装测试，在每一部分测试无误后进行系统整体性能测试。本次测试所使用的直流稳压源型号为DC-POWER- SUPPLY-DF17315LL3A,测试采用的示波器型号为RIGOLDS1102E（100MHz双通道示波器。总系统测试效果图如图5.1所示。 图5.1 总系统测试效果图在总系统调试无误后开始测试DDS信号发生器各项指标。本测试中，预置频率分为6个档位，分别为：10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz。频率分辨步进为10Hz，测试最低频率分辨率为10-4Hz。正弦波输出频率稳定度测试时，输出幅度预置为5.7V，系统直流偏量平均值为-28.4mV。测得正弦波输出频率稳定度数据如表5.1所示。表 5.1 正弦波频率稳定度数据测试序列预置频率实测频率幅度值11kHz999.950Hz5.28V22kHz1.99992kHz5.48V35kHz4.99987kHz5.72V410kHz9.99975kHz5.76V520kHz19.9996kHz5.80V650kHz49.9989kHz5.88V7100kHz99.9977kHz5.96V8200kHz199.995kHz5.96V9500kHz499.989kHz5.96V101MHz999.977kHz5.92V112MHz1.99995MHz5.84V125MHz4.99989MHz5.84V1310MHz9.99977MHz5.72V1412MHz11.9997MHz5.64V1515MHz14.9997MHz5.60V1620MHz19.9995MHz5.60V1722MHz21.9995MHz5.72V1825MHz24.9994MHz5.70V1930M