电气电子毕业设计166西安工程大学基于dds芯片ad9850的正弦发生器设计
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电气电子毕业设计166西安工程大学基于dds芯片ad9850的正弦发生器设计,毕业设计论文
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西安工程大学毕业论文 基于 DDS 芯片 AD9850 的正弦发生器 摘 要 数字化是目前无线电技术的发展趋势，它具有可靠性高、灵活性强、易大规模集成等优点。而直接数字合成技术 DDS(direct digital synthesis)正是适应数字通信的发展趋势而产生的。直接数字合成DDS 是一种基于波形存储的频率合成技术。 它 具有频率转换时间短、频率分辨率高、 输 出相位连续、相位噪声小及可编程等突出特点，在通信和雷达领域中得到了广泛的应用。所以， 研究 用 直接数字合成技术（ DDS） 合成 信号 波形 具有 广泛的现实意义。 论文中论述的系统以 直接数字 合成 技术 为基础 ， 采用在线 可编程单片机 AT89S52 为 主 控制器， 结合 直接数字频率合成芯片 AD9850，实现了 从 1Hz 到 20MHz 步进为 1Hz 的频率可调 正弦信号 以及方波信号 的产生。整个系统具有结构简单，控制灵活， 信号 精度高等特点。设计中 ， 32 位频率控制字计算 采用 了 查表 与计算相结合的 算法 ，该算法 简单 快捷， 且 节约存储空间。 本文主要分以下几章进行论述。第一章是对研究背景、目的和内容的介绍；第二章是原理及相关设计工具 介绍 ；第三、四章是 系统总体设计和详细设计部分；第五章是系统调试与分析部分；第六章是结论与展望。 关 键词 : DDS , AT89S52， AD9850，信号发生器 nts西安工程大学毕业论文 ABSTRACT The digitization is the present radio technology development tendency, it has the reliability high, the flexibility strong, merit and so on easy large scale integration. But direct digital synthesis technology DDS (direct digital synthesis) is precisely adapts the digital communication development tendency to produce. The direct digital synthesizes DDS is one kind the frequency synthesis technology which saves based on the profile. It has the frequency switching time short, the frequency resolution high, the output phase continuously, the phase noise small and is programmable and so on the prominent characteristic, obtained the widespread application in the correspondence and the radar domain. Therefore, study with the direct digital synthesis technology (DDS) to composite signal profile has the widespread practical significance. In the paper elaborates the system take the direct digital synthesis technology as a foundation, uses the on-line programmable monolithic integrated circuit AT89S52 as the primarily controller, union direct digital frequency synthesis chip AD9850, realized step has entered from 1Hz to 20MHz with the 1Hz frequency may adjust the sine signal as well as the square-wave signal production. The overall system has the structure simply, the control is nimble, signal precision higher characteristic. In the design, 32 frequencies control words computation has used the algorithm which Zha Biao and the computation unifies, this algorithm is simple quickly, also saves the storage space. The article main following several chapters carry on the elaboration. First chapter is to studies the background, the goal and the content introduction; Second chapter is the principle and the correlation design tool introduction; Third, four chapters are the system design and the detailed design part; Fifth chapter is the system debugging and the analysis part; Sixth chapter is the conclusion and the forecast. KEY WORDS ： DDS , AT89S52，AD9850， signal generator nts西安工程大学毕业论文 目录 第一章 概 述 . 5 1.2 主要研究内容 . 5 1.3 论文章节安排 . 5 第二章 基本原理 . 6 2.1 DDS 的基本原理 . 6 2.2 DDS 的信号质量分析 . 7 2.2.1 DDS 信号源的性能指标： . 7 2.2.2 DDS 的优点 . 8 2.2.3 DDS 的局限性 . 9 2.2.4 DDS 的总体概述 . 9 2.3 实现 DDS 的三种技术方案 . 10 2.3.1 采用高性能 DDS 单片电路的解决方案 . 10 2.3.2 采用低频正弦波 DDS 单片电路的解决方案 . 10 2.3.3 自行设计的基于 FPGA 芯片的解决方案 . 11 2.4 系统解决方案 . 11 2.5 相关器件介绍 . 11 2.5.1 AD9850 介绍 . 11 2.5.2 AT89S52 介绍 . 14 2.5.3 8279 介绍 . 15 2.6 相关软件介绍 . 17 2.6.1 电路设计软件 PROTEL DXP 介绍 . 17 2.6.2 单片机开发软件 Keil C51 简介 . 18 2.6.3 下载软件 ISP EXPERT 简介 . 18 第三章 总体设计 . 20 3.1 系统功能总体描述 . 20 3.2 硬件总体设计 . 20 3.3 软件总体设计 . 21 第四章 详细设计 . 23 4.1 系统功能详细描述与参数指标 . 23 4.2 硬件详细设计介绍 . 23 4.2.1 键盘显示电路的设计 . 23 4.2.2 DDS 波形产生电路设计 . 24 4.2.3 单片机控制电路设计 . 26 4.2.4 硬件电路抗干扰性设计 . 29 4.2.5 低通滤波器设计 . 30 4.3 系统硬件原理图 . 32 4.4 硬件 PCB 图 . 34 4.5 软件详细设计 . 34 nts西安工程大学毕业论文 4.5.1 初始化程序模块 . 35 4.5.1.1 单片机的初始化 . 35 4.5.1.2 8279 初始化 . 35 4.5.1.3 AD9850 的初始化 . 36 4.5.2 键盘显示程序模块 . 36 4.5.2.1 键盘扫描 . 36 4.5.2.2 键值转换 . 37 4.5.2.3 键值显示 . 37 4.5.3 频率控制字计算模块 . 37 4.5.3.1 频率控制字的计算 . 37 4.5.3.2 频率控制字的算法 . 37 4.5.3.3 频率控制字表的确定 . 39 4.5.3.4 频率控制字计算流程图 . 40 4.5.4 频率控制字传输模块 . 41 4.5.5 系统总体软件流程图 . 41 第五章 系统调试及分析 . 42 5.1 调试内容与目的 . 42 5.1.1 调试目的 . 42 5.1.2 调试内容 . 42 5.1.3 调试环境与使用仪器 . 42 5.2 调试步骤设计 . 43 5.2.1 检查测试 . 43 5.2.2 分步调试 . 43 5.2.3 综合调试 . 43 5.3 调试过 程与结果分析 . 44 5.3.1 调试过程 . 44 5.3.2 输出频率数据 . 44 5.3.3 结果分析 . 44 5.4 产生的问题与分析 . 45 5.5 设计结果分析 . 46 第六章 结论与展望 . 47 6.1 结论 . 47 6.2 展望 . 47 参考文献 . 48 附录 1 主程序 . 49 附录 2 频率控制字表生成程序 . 65 附录 3 频率控制字表 . 80 附录 4 实物图 . 82 nts西安工程大学毕业论文 第一章 概 述 1.1 研究背景 与 意义 频率合成器技术是现代电子系统中的一项关键技术，频率合成器作为雷达、通信、电子对抗等电子系统的重要基础设备，总是对这些系统某些主要指标的最终性能起着决定性的影响。直接数字频率合成器 (DDS)是近年来迅速 发展起来的新的频率合成方法，它将先进的数字信号处理理论与方法引入频率合成领域，从相位的概念 出发，采用了数字采样技术进行信号合成。与其它频率合成方法相比，直接数字频率合成器 (DDS)具有频率转换 速度快，频率 分辨率高，输出相位连续，可编程和全数字化便于集成 等突出优点，因此，它得到了越来越广泛的应用，成为众多电子系统中 不可缺少的组成部分。 美国 AD 公司推出的高集成度频率合成器 AD9850便是采用 DDS技术的典型产品之一。 随着直接 数字 频率合成技术（ DDS）越来越成熟， DDS的应用 也越来越广泛 。所以 学习和研究 DDS 在现实生活中具有重要的现实意义，而且通过这次研究 可以加深对直接频率合成原理的认识和提高硬件调试的能力。 1.2 主要 研究内容 本次设计需利用 DDS 芯片和微处理器，设计实现从 1Hz 到 10MHz， 步进为100Hz， 频率可调 的 正弦信号以及方波信号的产生。为此， 本次设计 主要 完成了以下工作： （ 1）研究 直接数字频率合成 的基本原理； （ 2） 研究 AD9850、 AT89S52、 8979等芯片的工作原理与应用； （ 3） 研究 KEIL C51 、 PROTEL DXP、 ISP EXPERT 等软件的使用； （ 4） 根据设计要求设计了系统硬件原理图和 PCB，并编写了相应实现程序 ； （ 5） 根据设计的硬件 PCB 图，制作了 PCB 板，并进行了器件焊接和在线编程调试； （ 6） 在调试中，找出了自制 PCB 板和程序 存在 的一些问题，并进行了改进和 优化； （ 7） 调试完成后，统计了各项数据，并进行了相应数据分析。 1.3 论文 章节安排 论文共分为六章，第一章是 研究背景，研究目的和内容的介绍。第二章是本设计中的一些基本原理和相关硬件、相关软件的 介绍 。 第三章是系统设计的总体介绍，包括了 硬件的总体设计和软件的总体设计。 第四章是系统的详细设计，在这章里将会对系统个部分 作详细的设计。 第五章是系统的调试与分析，这章是对调试的过程作详尽的描述，并对调试过程中产生的问题进行分析。第六章是 系统设计的结论与展望， 结论是对系统的设计结果作总结，展望是根据系统中存在的不足提出改进的方 法。 nts西安工程大学毕业论文 第二章 基本原理 本章主要对 DDS 的技术解决方案和设计中所涉及到 的基本 原理、 相关器件 和软件进行 了 介绍。 2.1 DDS 的基本原理 DDS 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。 DDS 的结构有很多种，其基本的电路原理可用图 2.1来表示。 图 2.1 DDS基本原理框图 DDS 技术的核心是相位累加器，它类似一个计数器，每来一个时钟信号，相位累加器的输出就增加一个步长的相位增加量，相位增加量的大小由频率控制字确定。信号波形的数据表包含待产生信号一个周期的幅度 相位信息，从数据表中读出相位累加 器输出相位信号值对应的幅度数据，通过 DAC将该数据转换成所需的模拟信号波形输出。相位累加器的相位累加为循环迭加，这样使得输出信号的相位是连续的。相位累加器进行线性相位累加，累加满量时产生一次计数溢出，这个溢出率即为输出信号的频率。频率控制字内的相位增加量越大，相位累加器的溢出率越高，输出信号的频率越高。设相位累加器的位数为 N，频率控制字内的相位增量为 M，参考时钟频率为cf，则 DDS系统输出信号的频率0 f为： c0 NfMf 22 1 输出信号的频率分辨率0 f为： c0 Nff 22 2 对于一个相位累加器的位数 N=32，参考时钟频 率cf=125MHz，当相位增量 M=1 nts西安工程大学毕业论文 时，输出信号频率0 f最低，其值约为 0.03Hz，这个值也是输出信号的频率分辨率0 f；当相位数量 31M=2 时，输出信号频率0 f最高，其值可达 62.5MHz， 由于参考时钟频率固定，则输出信号的频率稳定度等于参考时钟的频率稳定度，即可以达到晶振的频率稳定度。 由取样定理，所产生的信号频率不 能超过时钟频率的一半，在实际运用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的 33%,以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。在图 2.1中，相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个很小的相位噪声。 DAC分辨率一般比查询表长度小 2 4位。 通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率， DDS 的最小分辨率为 ：min 2 cNff2 3 这个增量也就是最 低的合成频率。最高的合成频率受奈奎斯特抽样定理的限制，所以有 ： 0max 2cff 2 4 与 PLL不同 ,DDS的输出频率可以瞬时地改变 ,即可以实现跳频，这是 DDS的一个突出优点，用于扫频测量和数字通讯中，十分方便。 2.2 DDS 的信号质量分析 2.2.1 DDS 信号源的性能指标： 通常 DDS信号源有以下几个主要性能指标： （ 1） 频率稳定度，等同于其时鈡信号的稳定度。 （ 2） 频率的值的精度，决定于 DDS的相位分辨率。 即由 DDS的相位累加器的字宽和 ROM函数表决定。本题要求频率按 100Hz步进，频率值的误差应远小于100Hz。 DDS可达到很高的频率分辨率。 （ 3） 失真与杂波：可用输出频率的正弦波能量与其他各种频率成分的比值来描述。失真与杂波的成分可分为以下几个部分： 采样信号的镜像频率分量。 DDS 信号是由正弦波的离散采样值的数字量经 D/A转换为阶梯形的模拟波形 ， 这样输出频率 存在着以采样频率为折叠频率的一系列镜像频率分量，这些镜像频率值为 n它们的幅度沿 Sin(x)/x 包络滚降。 D/A 的 位 宽决定 了它的分辨率，它所 决定的杂散噪声分量，满量程时，对信号的信噪比影响可表示为 ： S/D+N =6.02B+1.76 dB 2-3 其中 B为 D/A的位 宽，对于 10位的 D/A，信噪比可达到 60dB以上。增加 D/A的位数，可以减少波形的幅值离散噪声。另外，采用过采样技术，即大幅度增加每个周期中的样点数（提高时钟频率），也可以降低该类噪声。过采样方法使量化噪声的能量分散到更宽的频带，因而提高了信号频带内的信噪比。 nts西安工程大学毕业论文 相位累加器截断造成的杂波。这是由正弦波的 ROM 表样点数有限而造成的。通过提高时钟 频率或采用插值的方法增加每个周期中的点数（过采样），可以减少这些杂波分量。 D/A 转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量，其中包括谐波频率分量，它们在 N频率处。这些杂波分量的幅度较小。 其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。 D/A后面的低通滤波器可以滤去镜像频率分量和谐波分量，可以滤去带外的高频杂散分量，但是，无法滤去落在低通带内的杂散分量。 最高电压杂散信号 fspur 出现在频谱 f = fc-fo 时，它限制着输出频率范围的上限。最大杂散信号边带与信号功率之比为 ： 00000()s i n()()s i ncs p u r cccffPf f fP f f fff 2 5满量程时，对信号的信噪比影响可表示为 ： 6 . 0 2 1 . 7 6S N B d BD 2 6 （ 4） DDS的噪声分析 如图 2.2 图 2.2 DDS相位噪声模型 图 2.2中的 三个噪声 ,都是加性噪声 ， 其中最主要的是相位截断误差带来的噪声 。 2.2.2 DDS 的优点 （ 1）输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为 参考时钟的 50%（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杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到 参考时钟40%。 （ 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。 DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 nts西安工程大学毕业论文 （ 3）频率分辨率极高 若 参考时钟 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 0.001Hz甚至更小。 （ 4）相位变化连续 改变 DDS 输出频率，实际上改变的 是 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。 （ 5）输出波形的灵活性 只要在 DDS内部加上相应控制如调频控制 FM、调相控制 PM和调幅控制 AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生 FSK、 PSK、 ASK 和 MSK等信号。另外，只要在 DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波 和矩形波甚至是任意的波形。 2.2.3 DDS 的 局限性 （ 1）输出频带范围有限 由于 DDS 内部 DAC 和波形存储器（ ROM）的工作速度限制，使得 DDS 输出的最高频有限。目前市场上采用 CMOS、 TTL、 ECL 工艺制作的 DDS 芯 片，工作频率一般在几十 MHz 至 400MHz 左右。采用 GaAs 工艺的 DDS 芯片工作频率可达 2GHz左右。 （ 2）输出杂散大 由于 DDS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 的 相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和 DAC 非理想特 性造成的杂散。 2.2.4 DDS的总体概述 目前高速实时信号生成的热点问题是直接数字信号生成（ DDS），其基本结构可以分为相位累加型 DDS和数据存储型 DDS。 (1) 数据存储型 DDS 这种 DDS芯片把要产生的信号波形存储于数据存储器，之后以一定的时钟速率将数据读出后送 DAC芯片，经低通滤波产生所需的信号波形。其最大的优点是信号产生灵活，可以产生任意波形。问题是波形时间长度受存储量限制。 (2) 相位累加型 DDS 这种 DDS芯片采用相位累加器和正弦查找表的方法，可以通过数字控制生成正弦信号、线性 调频信号、相位编码信号等多种信号形式，信号时间长度不受限制，因此是目前 DDS 芯片中的常用类型。其主要问题是只能产生某些特定类型的信号，不能产生任意要求的信号波形。 (3) DDS主要性能指标 描述 DDS的主要性能指标包括： (a)时钟频率； (b)输出频率范围：一般为时钟频率的 40%； (c)频率分辨率：取决于相位累加器位数、时钟频率； (d)输出杂nts西安工程大学毕业论文 散：来源于相位截断、幅度量化、 DAC 非线性； (e)输出相位噪声：来源于时钟不稳、相位截断、幅度量化、 DAC非线性等等。 (4) DDS主要优缺点分析 DDS 主要 优点包括： (a)频率分辨率极高：取决于相位累加器位数、时钟频率； (b)输出相对带宽大： 0时钟频率的 40%； (c)频率转换时间极短：可达 ns量级； (d)频率捷变的相位连续性； (e)任意波形输出能力； (f)可实现数字调制性能。 DDS 主要缺点是： (a)工作频带限制：最高 1GHz 左右； (b)相位噪声大、杂散抑制差：来源于时钟不稳、相位截断、幅度量化、 DAC非线性等等。 (5) DDS 应用：通信、雷达、 GPS(全球定位系统 )、蜂窝基站、图像处理、 HDTV等等。 2.3 实现 DDS 的三种技术方案 2.3.1 采用 高性能 DDS 单片电路的解决方案 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，主要有 Qualcomm、 AD、 Sciteg和 Stanford等公司单片电路 (monolithic)。 Qualcomm公司推出了 DDS，系列 Q2220、 Q2230、 Q2334、 Q2240、 Q2368，其中 Q2368 的时钟频率为 130MHz，分辨率为 0.03Hz，杂散控制为 -76dB，变频时间为 0.1us；美国 AD 公司也相继推出了他们的 DDS 系列： AD9850、 AD9851、可以实现线性调频的 AD9852、两路 正交输出的 AD9854 以及以 DDS 为核心的 QPSK 调制器 AD9853、数字上变频器 AD9856和 AD9857。 AD公司的 DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。 2.3.2 采用低频正弦波 DDS 单片电路的解决方案 Micro Linear 公司的电源管理事业部推出低频正弦波 DDS 单片电路 ML2035以其价格低廉、使用简单得到广泛应用。 ML2035 特性： (1)输出频率为直流到25kHz，在时钟输入为 12.352MHz时频率分辨率可达到 1.5Hz(-0.75 +0.75Hz)，输出正弦波信号的峰 -峰值为 Vcc； (2)高度集成化，无需或仅需极少的外接元件支持，自带 3 12MHz 晶体振荡电路； (3)兼容的 3线 SPI串行输入口，带双缓冲，能方便地配合单片机使用； (4)增益误差和总谐波失真很低。 ML2035 生成的频率较低 (0 25kHz)，一般应用于一些需产生的频率为工频和音频的场合。如用 2片 ML2035产生多频互控信号，并与 AMS3104(多频接收芯片 )或 ML2031/ 2032(音频检波器 )配合，制作通信系统中的收发电路等。可编程正弦波发生器芯片 ML2035 设 计巧妙，具有可编程、使用方便、价格低廉等优点，应用范围广泛。很适合需要低成本、高可靠性的低频正弦波信号的场合。ML2037是新一代低频正弦波 DDS单片电路，生成的最高频率可达 500kHz。 nts西安工程大学毕业论文 2.3.3 自行设计的基于 FPGA 芯片的解决方案 Max+pluslI是 Altera公司 提供的一个完整的 EDA开发软件，可完成从设计输入、编译、逻辑综合、器件适配、设计仿真、定时分析、器件编程的所有过程 。 QuartuslI 是 Altera 近几年来推出的新一代可编程逻辑器件设计环境，其功能更为强
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