毕业论文(设计)
题目基于DDS的正弦波信号发生器设计学生
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摘要
DDS正弦波信号发生器能对输出电平进行调节，输出各种波形，把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。在跳频技术、无线电通信技术方面有着重要作用。
传统的正弦波信号发生器大多是基于模拟电子技术设计制作的，这种信号源制作简单，成本低廉，但是它的缺点也很多，比如不便于存储，频率稳定度差，失真度高等。
DDS是以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的合成原理。本设计采用DDS和单片机技术相结合，以DDS芯片AD9850为核心设计了一种幅度、相位、频率都可调节的正弦波信号发生器，它不仅能克服传统的正弦波信号发生器的缺点，而且由模拟乘法器产生调幅电路、采用数字键控的方法实现二进制PSK、ASK信号，且频带较宽、频率稳定度高，波形良好。设计目标是用DDS 芯片AD9850，产生0kHz～2mHz范围、频率步进1KHz可调、输出峰峰值在6 V的正弦波基本信号。以AVR单片机Atmegal6为控制核心，结合FPGA辅助逻辑控制电路，对实现的正弦波基本信号进行幅度、频率、相位调制和调制度及频偏的程序控制。以论文总体分为硬件设计部分，软件设计部分，仿真与测试部分。并论文中详细进行介绍。
关键词：数字频率合成；FPGA；AVR单片机；信号调制；AD9850；
Abstract
The design use DDS chip AD9850 to generate sine wave，whose frequency is from 0 Hz to 2 MHz，stepper is 1KHz and peak value is around 6 V．It use A VR MCU Atmega 16 as the control unit．MCU combine with assistant logic control circuit with FPGA which generate sin modulated signal of 1 kHz frequency and binary baseband serialsignal to control the peak，frequency，phase，modulate coeficient and frequency steppe r of sine wave with program．It ，stabilization，low cost and fme interface．Th e production can use as realia and scientific research instnmaent．
Key words：DDS；FPGA；A VR MCU；signal modulate
目录
摘要 .................................................................................................................................... I Abstract .............................................................................................................................. I I 第一章概述 (1)
第二章方案论证 (1)
2.1主控制器 (2)
2.2正弦信号产生 (2)
2.3输出电压放大 (2)
2.4 FM调频电路 (3)
2.5AM调幅电路 (3)
2.6产生二进制PSK、ASK信号 (3)
第三章详细软硬件设计 (3)
第四章硬件模块设计 (5)
4.1 SPCE061A简介 (5)
4.1.1 综述 (5)
4.1.2 性能 (6)
4.1.3 结构概览 (6)
4.1.4芯片的引脚排列和说明 (7)
4.2 正弦信号产生模块 (9)
4.2.1 AD9850芯片简介 (9)
4.2.2 AD9850工作方式介绍 (11)
4.2.3相位控制字的计算 (11)
4.3 带负载输出 (14)
4.3.1推挽放大器 (15)
4.4正弦调制信号的产生 (16)
4.5 AM调幅信号的产生 (17)
4.6 ASK、PSK的产生 (18)
4.6.1 ASK: 幅移键控ASK (Amplitude Shift Keying) (18)
4.6.2 PSK：数字相位调制（phase shift keying） (18)
4.7 LCD显示器 (22)
4.7.1 概述 (23)
4.7.2 基本特性 (23)
4.7.3 模块接口说明 (23)
4.7.4控制器信号接口说明 (24)
第五章软件设计 (26)
第六章测试说明 (27)
参考文献 (29)
附录 (30)
致谢 (31)
第一章概述
● 1.1引言
信号源作为一种信号产生的装置已经越来越受到人们的重视，它可以根据用户的要求，产生自己需要的波形，具有重复性好，实时性强等优点，已经逐步取代了传统的函数发生器。当今高性能的信号源均通过频率合成技术来实现，随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展，频率合成技术有了新的突破—直接数字频率合成技术DDS(Direct Digital Synthesis) ,他是将先进的数字信号处理理论与方法导入到信号合成领域的一项新技术，它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。同时，随着微电子技术的迅速发展，尤其是单片机技术的发展，智能仪器也有了新的进展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不断提高。本课题的目的就是依据DDS原理设计开发出一个能产生正弦波，且能产生幅度调制（AM）信号电路，产生模拟调制（FM）信号电路，产生二进制PSK，ASK信号电路。
● 1.2 研究课题发展背景与过程
DDS(Direct Digital Synthesis)的概念首先由美国学者J . Tierncy ,C. M. Rader 和B. Gold提出,它以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的合成原理。限于当时的技术和器件产，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近一年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis 简称DDS 或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。
近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。
随着微电子技术的飞速发展，目前高超性能优良的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0.1μs;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。
● 1.3基于DDS的正弦波信号发生器简
本课题设计一个正弦信号发生器，使用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为中央控制器，结合DDS芯片AD9850，产生1kHz～2MHz频率可调的正弦信号,正弦信号频率设定值可断电保存；使用宽频放大技术，在50Ω负载电阻上使1kHz～2MHz 范围内的正弦信号输出电压幅度 =6V±1V；产生载波频率可设定的FM和AM信号；调制信号为1KHz的正弦波，调制信号的产生采用DDS技术，由CPLD和Flash ROM 加上DAC进行直接数字合成；二进制基带序列码由CPLD产生，在100KHz固定载波频率下进行数字键控，产生ASK，PSK信号。系统采用全中文菜单操作方式，操作简单，快捷，且系统的精度和稳定性高.
● 1.4 课题研究内容
本课题主要对DDS正弦波信号发生器进行研究和设计，具体来说，包括以下内容：
1)对DDS正弦波信号发生器的设计原理进行研究与设计，并选择最佳设计方
案。
2)对DDS正弦信号发生器的硬件部分进行研究与设计，用pro绘制电路原理图
并调试各模块电路。
3)对DDS正弦波信号发生器的软件部分进行研究与设计，完成具体程序编辑，
调试与测试。
4)对DDS正弦波信号发生器整体进行调试与测试。
● 1.5 课题研究意义
本课题研究有利于整个通信技术的发展，并在日常无线通信中有着重要的意义。
第二章方案论证
根据题目要求，本系统主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、输出电
压放大模块、FM调频电路模块、AM调幅电路模块和人机界面模块构成。如图
2-1。
图2-1 系统模块框图
2.1主控制器
方案一：采用通用的51单片机AT89S52作为主控制器，完成数据处理，DDS 的频率输出控制，键盘的扫描及液晶显示器的显示控制等。由于51单片机内部的RAM和ROM都比较小，考虑到实现本系统需要大量的数据处理及液晶显示需占用大量的ROM资源等，用51单片机实现本系统就需外扩RAM和ROM，实现起来比较麻烦。而且本系统需要用AD转换器采样调制信号实现调频信号的输出，使用51单片机就需外扩一片AD转换芯片，实现也比较麻烦。而且基于整个系统的速度要求，51单片机也不能满足要求。
方案二：采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器。由于SPCE061A 内置有2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及液晶显示所需数据的存储要求CPU时钟频率高达49.152MHz，能满足速度要求；集成有7通道10位电压模数转换器ADC，可以满足系统采样调制信号的要求；一片凌阳SPCE061A 单片机就可以完成整个系统的主要功能，基本不需要扩展其他器件，不仅体积小而且可靠性高。而且凌阳单片机具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，实现整个系统更加简单。
基于此，本系统采用方案二，利用凌阳的16位单片机SPCE061A作为主控制器。
● 2.2正弦信号产生
方案一：采用反馈型LC振荡原理，选择合适的电容、电感就能产生相应的正弦信号。此方案器件比较简单，但是难以达到高精度的程控调节，而且稳定度不高，故不采用。
方案二：采用DDS技术的基本原理。DDS技术是基于 Nyquist采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中（查找表），通过CPLD或者FPGA进行寻址查表输出波形的数据，再经DA 转换滤波即可恢复原波形。根据 Nyquist 采样定理知，要使信号能够恢复，必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的2倍，否则将产生混叠，经DA 不能恢复原信号。此方案产生的波形比较稳定，在高频输出时会产生失真，而且电路比较复杂，故不采用。
方案三：直接采用DDS集成芯片。AD9850是AD公司生产的DDS芯片，带并行和串行加载方式，AD9850 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。
由于DDS集成芯片能达到要求，而且节省硬件电路，程控调节能够方便实现，本设计采用方案三，作为1K～10MHz正弦信号发生。
● 2.3输出电压放大
方案一：采用高频三极管做功率放大。选择恰当的电阻和电容来实现符合题目要求的放大倍数。但是使用三极管放大时，信号放大的稳定性不高，很难满足题目的要求。故不采用。
方案二：采用宽频运算放大器做前级电压放大，AD8056可以达到300M的带宽，而且频率稳定性好。在后级加上互补对称的推挽式输出电路做电流放大作用。
所以在本设计中采用了方案二。
● 2.4 FM调频电路
方案一：使用变容二极管直接调频。变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的一种二极管。加反向偏压时，变容二极管呈现一个较大的结电容。变容二极管要并接在产生中心频率振荡的选频网络的两端，并加上调制信号，使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变，从而达到调频作用。但是本方案会使电路产生的频偏不稳定，容易产生中心频率偏移。
方案二：采用锁相环进行调制，采用锁相环路调频，能够达到中心频率高度稳
定的调频信号。由于锁相环能跟踪并锁定中心频率。从而使中心频率有足够高的稳定度。而调制信号就加在VCO（压控振荡器）的输入端，从而使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变。如图2-2。本方案比较直观，而且中心频率和频偏都比较准确，但是电路复杂，故不采用。
图2-2 锁相环框图
方案三：凌阳的单片机芯片SPCE061A内部集成有10位ADC。可先将调制信号离散化，当采集完一个周期（1ms）的数据后，计算出每相邻两个抽样点的偏移量，这样就可以根据偏移量控制改变DDS的输出频率，从而达到调频效果，而且硬件设计简单[4]。
本设计使用方案三。
● 2.5 AM调幅电路
方案一：采用单二极管开关状态调幅电路,使二极管近似处于一种理想的开关状态下,在两个不同频率电压作用下进行频率交换。
方案二：采用二极管平衡调幅电路,它是利用二极管的开关状态和平衡抵消的措施,经调幅后通过带通滤波器就可以得到调幅信号。前面两种方案电路实现比较复杂,而且由于采用分立元件，稳定性比较差，调试困难。
方案三：采用模拟乘法器调幅电路，它是一种完成两个模拟信号相乘作用的电路，起到频率搬移的作用，若采用专门的模拟乘法器芯片，电路实现简单，稳定性比较好，功能实现容易，符合题目要求。
基于此，本系统采用方案三，选用集成模拟乘法器MC1496实现AM的模拟调幅。
● 2.6产生二进制PSK、ASK信号
方案一：直接采用DDS实现ASK和PSK，用程序直接控制DDS输出二进制PSK和ASK信号，根据码序列中的‘0’或‘1’直接控制DDS的相移，便可以实现PSK
调制功能，而控制DDS开和关即可实现ASK调制。本方案直接用软件来实现产生二进制ASK，PSK信号，基本不用硬件电路,比较方便,但经过试验,输出的信号不稳定。故不采用。
方案二：采用数字键控的方法来实现，采用模拟开关，利用基带信号控制模拟开关的选通或关闭来实现ASK调制。实现PSK调制时，把100K的载波信号分接成两路，其中一路接增益为-1的运放电路，将载波信号移相180°。‘0’‘1’基带序列码由CPLD产生。本方案硬件设计也比较简单,输出的信号比较稳定，各种指标符合题目要求。
基于此本系统采用了方案二实现产生二进制PSK，ASK信号。
2.7系统整体框架
根据上面的论证，本系统以凌阳的16位单片机SPCE061A为核心，配合DDS专用芯片AD9850，完成正弦信号的产生，并辅以各个功能模块完成题目的设计要求。
系统的总体框图如图 2-3，硬件连接图如图 2-4。
图2-3 系统设计框图
图2-4 系统硬件连接图
第三章硬件模块设计
3.1正弦信号发生模块
正弦信号产生模块的主要部分是AD9850。
3.1.1 AD9850芯片简介
AD9850 是AD 公司采用先进的DDS 技术于1996 年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，AD9850 可产生一个频谱纯净、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转换成方波用作时钟输出。
AD9850引脚图如表3-1：
AD9850芯片管脚功能图如图3-1:
图3-1 AD9850芯片管脚功能图
AD9850组成框图如图3-2：
图3-2 AD9850组成框图
3.1.2 AD9850工作方式介绍
AD9850 的控制字有40 位,其中32 位是频率控制位,5 位是相位控制位,1 位是电源休眠控制位,2 位是工作方式选择控制位。在应用中,工作方式选择位设为00 ,因为01 ,10 ,11 已经预留作为工厂测试用。相位控制位按增量180°,90°,45°,22. 5°,11. 25°或这些组合来调整。频率控制位可通过下式计算得到:
= ( ×W) 2 （3-1）其中: 要输出的频率值; 为参考时钟频率;W 为相应的十进制频率控制字, 然后转换为十六进制即可。
3.1.3 相位控制字的计算
AD9850中有5 bit用于相位控制。因此，相位控制的精度为360°2=11.25°，用二进制表示为00001，根据实际需要，设置不同的相位控制字就可以实现精确的相位
控制。表3-2给出了相移与相位控制字之间的对应关系。
相移（°）相位控制字
0 00000
22.5 00010
45.0 00100
67.5 00110
90.0 01000
112.5 01010
135.0 01100
157.5 01110
180.0 10000
202.5 10010
225.0 10100
247.5 10110
270.0 11000
292.5 11010
315.0 11100
337.5 11110
表3-2 相移与相位控制字之间的关系
AD9850 有串行和并行两种控制命令字写入方式。图3-3是控制字并行输入的时序图。并行输入方式下，在W_CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿后，W_CLK的边沿不再起作用，直到复位信号或FQ_UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。在FQ_UD的上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率相位数据寄存器(更新DDS输出频率和相位)。串行输入方式下，在W_CLK的上升沿把一位数据串行移入，当移动40位后，FQ_UD的上升沿即可更新输出频率和相位。但是要注意的是,此时数据输入端的三个管脚不可悬空,其中D0 ,D1 脚接高电平,D2 脚要接地。图3-4是相应的控制字串行输入的控制时序图
图3-3 控制字并行输入的时序图
图3-4 控制字串行输入的时序图
图3-5 AD9850结构
因为要考虑到FM调频，本系统使AD9850工作于并行方式接线，以提高频率
的切换速度。从而达到调制1K正弦波的要求。参考时钟使用42M晶振，设计低通滤波器时，就要去掉42M的高频干扰。DDS输出的带宽比较高，低通滤波器要采用LC做成7阶切贝雪夫低通滤波。其连接图如图3-6。
图3-6 AD9850 连接图
而且，应在电路中使用一个截止频率为10MHz 的7 阶切比雪夫滤波器, 其电路图如图 3-7所示。在滤波器的设计过程中,能否准确实现高Q值的电感,直接影响着滤波器的最终性能。
图3-7 切贝雪夫低通滤波器
3.2输出电压放大模块
要达到6V±1V的带负载输出，我们先使用宽频运放AD8056做前级放大，为了达到合适的电压增益，我们使用了两级放大切换，改变放大的级数以便适应增益要求；经运放输出的电压电流较弱，带负载能力不强，所以要在运放的后级加上一级推挽输出，提高输出电流。在推挽输出端接上了50Ω电阻，输出幅度能达到题目的要求。
图3-8 放大电路
3.2.1推挽放大器
在功率放大器电路中大量采用推挽放大器电路，这种电路中用两只三极管构成一级放大器电路，两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周，即用一只三极管放大信号的正半周，用另一只三极管放大信号的负半周，两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。
推挽放大器电路中，一只三极管工作在导通、放大状态时，另一只三极管处于截止状态，当输入信号变化到另一个半周后，原先导通、放大的三极管进入截止，而原先截止的三极管进入导通、放大状态，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器。
图3-9 推挽输出
3.3 FM调制电路模块
1K正弦调制信号的产生采用DDS技术。DDS技术采用全数字技术实现频率合成，和其它一般的频率合成技术相比，有一些突出的优点和独特的性能：DDS 在相对带宽、频率转换时间、频率分辨率、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为本系统实现AM，FM调制提供了稳定的正弦调制信号。DDS的实现原理如图3-10：
图3-10 DDS技术的实现
DDS 技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA 软件支持等特性，十分适合实现频率的合成。
由于本系统要求产生1KHz的正弦调制信号,失真度要求要小,而且稳定性要好,DDS 的失真度除受DA 转换器本身的噪声影响外，还与存储深度M和DA 字长有密切关系，设q 为均匀量化间隔，其失真度近似数学关系为:
=*100% (3-3)
本系统的量化级为256（8 位DAC），经计算其失真度约为5.676%，可以满足设计要求。
系统采用Altera 公司的CPLD 器件EPM7128，其最高工作频率为120MHz，典型可用门5000 门。EPM7128SLC84-15是Altera公司推出的MAX7000S 系列的CPLD(Complex Programmable Logic Device)；采用CMOS EPROM工艺，传输延迟仅为5ns；内部具有丰富的资源--128个触发器、2500个用户可编程门；而且具有68个用户可编程的IO口，为系统定义输入、输出和双向口提供了极大的方便；为了比较适合混合电压系统，通过配置，输入引脚可以兼容3.3V5V逻辑电平，输出可以配置为3.3V5V逻辑电平输出。EPM7128同时还提供了JTAG接口，可进行ISP编程，极大地方便了用户。
DDS设计电路产生的波形存在高次谐波，须进行低通滤波使波形平滑，为使通带内的起伏最小，我们采用了巴特沃斯二阶低通滤波器，如图 3-11。巴特沃思二阶低通滤波器的截止频率为fc = 1 2πRC 。由于只需产生1KHz的正弦信号,本系