DDS信号源的设计-电子技术课程设计

1、PAGE PAGE 14 电子技术 设计说明书题目： DDS信号源的设计 学生姓名： 鲍 帅 学 号： 201206090209 院 （系）： 电气与信息工程学院 专 业： 网络工程 指导教师： 2014年 月 日目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc343245123 1 选题背景 PAGEREF _Toc343245123 h 2 HYPERLINK l _Toc343245124 1.1 背景 PAGEREF _Toc343245124 h 2 HYPERLINK l _Toc343245125 1.2 设计任务 PAGEREF _Toc34324512

2、5 h 2 HYPERLINK l _Toc343245126 2 方案论证 PAGEREF _Toc343245126 h 2 HYPERLINK l _Toc343245127 2.1 可选方案 PAGEREF _Toc343245127 h 2 HYPERLINK l _Toc343245128 2.2 方案比较 PAGEREF _Toc343245128 h 3 HYPERLINK l _Toc343245129 3 设计过程 PAGEREF _Toc343245129 h 3 HYPERLINK l _Toc343245130 3.1 DDS的基本原理 PAGEREF _Toc343

3、245130 h 3 HYPERLINK l _Toc343245131 3.2 基本参数确定 PAGEREF _Toc343245131 h 4 HYPERLINK l _Toc343245132 3.3 器件选择 PAGEREF _Toc343245132 h 4 HYPERLINK l _Toc343245133 4 各单元电路及其工作原理 PAGEREF _Toc343245133 h 4 HYPERLINK l _Toc343245134 4.1频率控制字产生电路 PAGEREF _Toc343245134 h 4 HYPERLINK l _Toc343245135 4.2相位累加及

4、锁存电路 PAGEREF _Toc343245135 h 5 HYPERLINK l _Toc343245136 4.3 正弦函数表 PAGEREF _Toc343245136 h 6 HYPERLINK l _Toc343245137 4.4 D/A转换电路 PAGEREF _Toc343245137 h 7 HYPERLINK l _Toc343245138 4.5 低通滤波电路 PAGEREF _Toc343245138 h 8 HYPERLINK l _Toc343245139 4.6 555脉冲产生电路 PAGEREF _Toc343245139 h 8 HYPERLINK l _T

5、oc343245140 4.7 消抖电路 PAGEREF _Toc343245140 h 9 HYPERLINK l _Toc343245141 4.8 电源滤波 PAGEREF _Toc343245141 h 9 HYPERLINK l _Toc343245142 5 总原理图 PAGEREF _Toc343245142 h 10 HYPERLINK l _Toc343245143 6 元器件清单 PAGEREF _Toc343245143 h 11 HYPERLINK l _Toc343245145 7 结果分析 PAGEREF _Toc343245145 h 11 HYPERLINK l

6、 _Toc343245146 8 存在的问题及改进意见 PAGEREF _Toc343245146 h 12 HYPERLINK l _Toc343245147 9 总结 PAGEREF _Toc343245147 h 12 HYPERLINK l _Toc343245148 参考文献 PAGEREF _Toc343245148 h 14选题背景1.1 背景在电子技术日新月异的形势下，信息技术随之迅猛发展。信息是存在于客观世界的一种事物现象，人们正是通过信息的获取、存储、传输和处理等来不断认识和改造世界的。而信号作为信息的载体，是指带有信息的随时间或其他自变量变化的物理量或物理现象，信号时使用

7、极为广泛的基本概念，无论是在自然科学领域，还是在社会科学领域都存在大量的应用研究问题。直接数字频率合成（Direct Digital Synthesizer，简称：DDS）技术是一种新的全数字的频率合成原理，它从相位的角度出发直接合成所需波形。这种技术由美国学者J.Tiercy,M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，但限于当时的技术和工艺水平，DDS技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去。近30年来，随着超大规模集成（Very Large Scale Integration,简称：VLSI）、复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic D

8、evice,简称：CPLD）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，简称：FPGA）等技术的出现以及对DDS理论的进一步探讨，使得DDS得到了飞速的发展。由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号，广泛应用于电子测量、调频通信、电子对抗等领域。近年来，已有DDS技术的波形发生器陆续被研制、生产和投入应用。1.2 设计任务设计一个简单的DDS正弦波信号发生器，有频率增（UP）和频率减（DOWN）两个键，按UP时频率步进增加，按DOWN时频率频率步进减小

9、。具体要求如下：输出信号的频率范围为100Hz1500Hz，步进为100Hz。要求输出信号无明显失真。发挥部分：可输出矩形波和三角波；进一步扩大输出信号范围或减小步进频率。方案论证2.1 可选方案方案一：直接模拟合成法。直接模拟合成法利用倍频（乘法）、分频（除法）、混频（加法与减法）滤波，从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快（小于100ns），但是体积大、功耗大。方案二：基于单片机完成设计利用单片机的课编程输出，再配以相应的外设电路即可实现理想波形的输出。2.2 方案比较方案一：采用传统的硬件电路组合实现，锻炼学生对数模电知识的掌握能力，学以致用。但是其可靠性差、灵活

10、性小、线路复杂。方案二：采用89C51单片机为核心实现，单片机处理速度使DDS的频率范围非常有限，加上单片机本身端口较少，对于一个外部频率选择键盘输入、ROM地址查表输出以及LED数码管显示的系统来说，端口资源变得非常紧张。且现在对单片机知识掌握的不是很好。考虑到这次课程设计也是对所学数模电知识及实际动手能力结合的一次考验，且时间充足，题目要求较简单，所以选择方案二。设计过程3.1 DDS的基本原理DDS的原理框图如图3-1所示。图中相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制字（TUNING WORD）所决定的相位增量M累加一次，如果记数大于，则自动溢出，而只保留后面的N位数字于累加器中。正

11、弦查询表ROM用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换，然后送到DAC中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量，最后通过滤波器输出一个很纯净的正弦波信号。基本原理如图3-1： 频率控制字相位寄存器正弦查询表DACLPF时钟fc图 3-1 DDS基本原理图 由于相位累加器是N比特的模2加法器，正弦查询表ROM中存储一个周期的正弦波幅度量化数据，所以频率控制字M取最小值1时，每个2n时钟周期输出一个周期的正弦波。所以此时有f0=fc/2n, 式中f0为输出信号的频率，fc为时钟频率，n为累加器的位数。更一般的情况，频率控制字是m时，每2n /m个时钟周期输出一个周期的正弦波。所以此时有：f0=

12、(mfc)/ 2n,式中f0为输出信号的频率，fc为时钟频率，n为累加器的位数，m为频率控制字。这个是DDS系统最基本的公式之一。由此可以得出：输出信号的最小频率（分辨率）为：f0min= fc / 2n输出信号的最大频率为：f0max=（Mmaxfc）/ 2n DAC 每信号周期输出的最少点数为：K=2n / Mmax当 N 比较大时，对于很大范围内的 M 值，DDS系统都可以在一个周期内输出足够的点，保证输出波形失真很小。3.2 基本参数确定本次课程设计选用8位的相位寄存器，即N取8。则可以算出响应的参数：Fc= f0min2n=100HZ28=25.6KHZ 频率控制字为从1153.3

13、器件选择1）需要产生15个不同的频率控制字，则选用16可逆计数器74LS1932）相位累加器采用加法器与寄存器结合的方式，选用市面常用的74LS283两片级联成八位加法器，寄存器选用8为寄存器74HC574。3）存放正弦函数表采用可电擦除的E2PROM，本次选用AT29C512。4）D/A转化器采用市面常见的DAC0832。同时选用与DAC0832配合使用的运算放大器NE5532。各单元电路及其工作原理4.1频率控制字产生电路图4-1 计数电路如图4-1，使用十六进制可逆计数器74LS193产生015的频率控制字，预置数的四个脚（15、1、10、9脚）统一置低电平（接地），预置数脚（11脚）接

14、高电平，计数增和计数减（5脚和4脚）分别接两个按键，复位端（14脚）接如图复位电路，输出端（3、2、6、7脚）接到下一级电路，进位和借位端（12脚和13脚）不接。此电路可以通过按键来使输出端产生想要的频率关键字。4.2相位累加及锁存电路图4-2 相位累加电路如图4-2，此电路中的74LS283为四位二进制超前进位全加器，不能满足设计要求，可以通过两片组合成八位加法器，如图把U2的进位端输出（9脚）接到U3的进位输入端（7脚）即可。U2的A输入端接上级电路的四位输出，U3的A输入端接低电平。两片分别四位输出组合成八位输出接到八位寄存器74LS574的输入端，再从寄存器的八位输出端反接回来到U2和

15、U3的B输入端，这样就形成了相位累加的过程，其中可以通过寄存器74LS574的时钟控制端（11脚）的频率来控制累加的快慢。此时可以在寄存器的输出端的各个管脚上测得不同频率的方波。如图4-3：Q0输出Q1输出Q2输出Q3输出图4-3 锁存器第四位输出波形4.3 正弦函数表图4-4 E2PROM存放正弦函数表的器件选择可电擦除的E2PROM,它为存储容量: 512 KB。其接线如图4-4，共十六位输入，去其低八位作为相位寻址线，共给片内写入256个正弦函数点供气查询输出。其他脚接低电平。如图4-5，正弦函数表为：图4-5 正弦函数表4.4 D/A转换电路图4-6 D/A转换电路如图4-6，D/A转

16、换选择的是通用的DAC0832，并采用其经典接法与运放相接，其中八位数字量输入端接上级E2PROM的八位输出，IOUT1和IOUT2接运算放大器将电流量转换成电压量，最终从运放的1脚输出。此时即可测得正弦波。如图4-7：图4-7 输出波形4.5 低通滤波电路图4-8 滤波电路如图4-8，从运放输出的信号中含有许多噪声信号，根据设计要求可以采用低通滤波器来滤除输出信号中的高频分量。4.6 555脉冲产生电路图4-9 555电路电路中给定C4用陶瓷电容102，C5用陶瓷电容103，需要的输出方波的频率为f=25.6KHZ,则：T=1/f=0.03910-3s需要占空比为q=50%的方波，即R6=R

17、5C4=10102pF=10-9FT=T1+T2=（R5+2R6）Cln2=0.03910-3可以推得：R5=R6=（0.03910-3）/（310-90.69）=18.8K4.7 消抖电路图4-10 按键消抖电路由于按键存在机械抖动，导致电平出现抖动从而使计数器的计数出现抖动跳变，多以需要对按键加上消抖电路。4.8 电源滤波图4-11 电源滤波电路整个电路是由直流学生电源供电，而电路本身会对电源的输出造成影响，在实际电路中的表现就是会使电路的输出出现抖动。加上电源滤波后可以有效的改善这一点。总原理图图4-12 总原理图元器件清单元件名称型号数量备注触发器74LS141个计数器74LS1931

18、个加法器74LS2832个锁存器74HC5741个E2PROMAT29C5121个D/A转换器DAC08321个运算放大器NE55321个555模块NE5551个普通电阻10K2个普通电阻1K1个普通电阻200欧2个电位器20K2个点位器10K1个陶瓷电容1036个电解电容10uF2个陶瓷电容1021个按键3个底座DIP-82个DIP-164个DIP-202个DIP-321个导线1mm若干表6-1 元件清单结果分析图7-1 输出波形在Proteus中的仿真结果如图7-1: 可以通过按键调整输出正弦波的频率，可以从100HZ到1500HZ之间的调整，步进为100，幅度可在2.5V到3V。当UP键

19、按下时频率加100HZ，当DOWN键按下时频率减100HZ，复位键按下时频率为0HZ。电路实测效果良好，达到设计要求。存在的问题及改进意见这个设计方案原理比较简单，元器件不太多，实现起来也不算太难。存在的问题就是输出的信号不够强，带负载能力不强，当在其后加上负载时，输出特性就会发生改变。如果在后面再加上一级功率放大电路，效果可能会好一些。由于时间原因，后级的功放未能做。还有一个问题就是还可以再继续完成发挥部分的题目要求，即输出方波和三角波。理论上可以通过增加一个滞回比较器实现正弦波转方波，再给后面添加一个积分运算电路即可实现方波再转三角波。当然也可以选择在E2PROM中存入方波和三角波的函数表

20、即可实现方波和三角波的输出。但是由于时间原因，发挥部分的电路没有连接。总结这次的课程设计终于完成了，我从拿到题目到开始构思方案再到整个作品的完成历经了两个多月，这对于一个数电类的课程设计来说拖的时间太长了，但是我是第一次完完整整的设计、焊接、调试一个电路，在此期间经历了一个新手应该经历的大部分问题，并顺利解决了问题。总的来说还是收获不少。我拿到这个题目的时候还不知道DDS为何物，上网查了一下了解其基本原理后才开始查资料，整理方案。这些前期的准备工作就用了一个周。焊接的时候，我没有一次性全部焊完，而是焊完一个单元电路就检测一次，由于是数电部分比较多，所以各级检测起来都相对比较容易。一直到最后整板的完成。全部焊接好了之后出现的问题一是抖动，二是用示波器检测时示波器上频率的度数不对。就这两个问题耗了我好长时间。由于刚开始焊的时候没有焊接555电路，而是直