基于单片机和DDS技术的信号发生器的设计

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8月第8期电子测试

ELECTRONICTESTJul.2009

No.8

65　基于

DDS技术正弦波信号发生器的设计

汉泽西1

,张海飞1

,王文渤2

,李国栋1

(

1西安石油大学电子工程学院西安

710065;2兰州石油化工工程公司兰州

730060)

摘　要

:介绍了直接数字频率合成(

DDS)的原理

,依据其基本原理提出一种基于单片机

STC89C52控制直接数

字频率合成芯片

AD9851产生频率可调的正弦波信号发生器的电路设计。通过键盘输入所需频率值

,单片机通

过响应键盘中断将其输入频率转换为频率控制字

,并将其写入

AD9851。

AD9851产生的正弦波信号经低通滤波

得到纯正的正弦波信号

,最后经过功率放大器输出至负载。经实验表明该系统可产生频率在

1Hz～

10MHz,精

度为

0.1Hz,峰值为

5V的正弦波信号

,且易于操纵

,输出稳定。

关键词

:信号发生器

;直接数字频率合成

;AD9851

中图分类号

:TP216 文献标识码

:B

DesignofsinewavesignalgeneratorbasedonDDStechno

logy

HanZexi1

,ZhangHaifei1

,WangWenbo2

,LiGuodong1

(

1.SchoolofElectronicEngineering,Xi′

anShiyouUniversity,Xi′

an710065,China;nzhouPetroleum

&ChemicalEngineeringCompany,Lanzhou730060,China)

Abstract:ThispaperintroducesthebasicprinciplesofDirectDigitalSynthesis(

基于ＤＤＳ的　器的设计　应用科学　（西北工业大学明德学院陕西西安７１０１２４）　【摘　要】本文主要描述以ＤＤＳ技术为基础实现信号发生器的方案，以及用ＡＤ９８５１芯片作为核心元件，　以ＡＴ８９Ｓ５２单片机为主控器件，ＬＣＭ１６０２点　阵式字符型液晶显示模块作为显示器以及４Ｘ４键盘构成的数控精密频率合成￣ｊ￥１Ｊ作。该频率合成器的频率输出范围为Ｏ－７０ＭＨｚ，频率分辨率为１Ｈｚ，可　用于时钟信号产生、业余电台的本机振荡器等电路。　【关键词】直接数字频率合成器直接数字频率合成器专用芯片　单片机点阵式字符型液晶显示模块　１．引言　信号发生器是最重要的测量仪器之一，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。它能满足测试系统的多种要求，成为了系统综合测试中不　可缺少的组成部分。　信号发生的主要实现方法根据实现思路可以分为模拟式和数字式，根　据实现方法可以分为赢接法、锁相法、直接数字法和混合法四种。在信号发　生的几种技术当中，直接数字合成技术出现得最晚，但近年来发展得最快。　随着大规模集成技术和数模混合信号集成技术的发展，单片集成的ＤＤＳ芯　片纷纷出现，在应用领域内大有后来居上的势头。　２．设计　本设计基于ＤＤＳ技术，采用ＡＤ９８５１芯片及ＡＤ６０３，利用直接数字频率　合成技术，实现　一个频率可调的正弦信号发生器，经过设计和电路测试，　输出波形达到了很高的精度．原理图如下：　设计以ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５１为电路核心，ＡＴ８９Ｓ５２单片机为控制核心，显　示器采用Ｉ　ＣＭ１６０２字符　液晶显示器，因为ＤＤＳ频率合成器的合成频率范　围宽，且分辨率达到１Ｈｚ，如果采用频率步进的方法进行频率调整就变得　很费事且不太现实，所以采用直接输入频率的方式，输入接口为４Ｘ４键盘，　可提供１６个有效按键。三种单位（Ｈｚ，ＫＨｚ，ＭＨｚ）选择，可方便频率的输入。　ＲＦ放大电路使用ＡＤＩ公司的宽带可控增益放大器，带宽达９０ＭＨｚ，在本文　中ＲＦ放大器的增益控制通过调整可变电位器实现，如果采用带有Ａ／Ｄ转　换的单片机，那么增益控制可由单片机自动控制，由于ＡＴ８９Ｓ５２单片机没　有Ａ／Ｄ转换功能，故由调整电位器来人工调整。单片机Ｐ１口接４Ｘ４键盘，　Ｐ２．　Ｐ２．１、Ｐ２．２分别接ＡＤ９８５１的ＤＡＴＡ、ＣＬＫ、ＬＯＡＤ三通信端口。ＰＯ口以及　Ｐ２．４、Ｐ２．５、Ｐ２．６接液晶显示器，Ｐ２．７为液晶显示器的背光控制，高电平有　背光，低电平无背光。￣１７与Ｒ１２组成单片机的上电复位电路，单片机采用　１２ＭＨｚ晶体作为时钟。　在本电路中ＡＤ９８５１采用串行的数据输入方式，所以数据是从第２５脚　（Ｄ７）输入，将３（Ｄ１）、４脚（ＤＯ）接高电平，第２脚（Ｄ２）接低电平，以满足并联　输入转串联输入的硬件要求。因为本电路之要求输出正弦波，为了电路的　工作稳定所以将内部高速比较器的两个输入端接地。在很多电路里第２２　脚复位端是直接接地的，试验中发现，这样接电路很不稳定，在很多时候接　通电源给ＤＤＳ送数据后，ＤＤＳ并不工作，最后仔细阅读ＡＤ９８５１的　Ｄａｔａｓｈｅｅｔ后发现，ＲＥＳＥＴ（２２脚）在上电后要有一个高电平脉冲作为复位　信号，该复位信号的宽度为不小于５个时钟宽度即可，故在２２脚上接了由　Ｒ１与ｃ２组成的复位电路，从此以后电路工作很正常，在送数据后从未出　现过ＤＤＳ不工作的问题。从ＤＡＣ输出的信号经过由ＩＪ１、Ｌ２、ｃ７、ｃ８、Ｃ９、ＣＩＯ、　Ｃ１１、Ｃ１２组成的截止频率为７５．Ｖ￣ｔｚ的低通滤波器后将信号送入由ＡＤ６０３　组成的可控增益放大电路，这里采用了ＡＤ６０３的典型接法，１脚和２脚的　电压差决定了ＡＤ６０３的增益，如果１脚的电压大于２脚的电压，则ＡＤ６０３　处于放大状态，差值越大增益越高；反之１脚的电压小于２脚的电压　ＡＤ６０３将会衰减输入信号，增益控制灵敏度为２５ｍＶ／Ｄｂ，通过调整ＲＩＯ调整　放大器的增益。　在通电以后，单片机首先对以液晶显示器进行初始化，进入输入频率　界面，接下来键盘扫描程序开始工作，当有数字键按下，经过按键消抖后取　出键值，将该值按键入的顺序存储到指定的内存单元，并将数字显示在液　晶显示器上，跳回按键扫描程序，等待下一个数值的输入，在有效数值输入　完毕后按单位键，单片机将按顺序把存入内存的数据取出并进行运算，运　算完毕后进行数据调整，然后送入ＡＤ９８５１，再调用显示，将输出频率显示　出来，之后单片机将指定的内存单元清零，进行按键扫描，等待新数据的输　入，在有新数据输入时，单片机会将显示值清屏以显示新输入的值。　３．电路制作　由于本电路大量采用贴片元件，在制作时应注意焊接技巧，特别是　ＡＤ９８５ｌ的焊接，ＡＤ９８５１的引脚间距只有０．６５ｍｍ，所以在焊接时极易造成　短路，所以要特别当心，万一造成引脚短路，这是取一节通编织网（屏蔽线　的屏蔽网），给铜编织网上溶上松香将造成短路的焊锡吸掉即可。还有在焊　接ＡＤ９８５１是要注意静电，最简单的办法就是将烙铁从电源上拔下，利用余　热焊接。该电路无需调试即可正常工作。　参考文献　［１］戴敏．战术电台发展趋势，通信技术与发展，１９９７，１：４６—４８：　［２］　张连江．理想直接数字频率合成器（ＤＤＳ）原理及谐波和杂散分析．舰　船电子对抗，１９９８，３（３）：３卜３４　［３］　高泽溪，高成．直接数字频率合成器（ＤＤＳ）及其性能分析．北京航空　航天大学学报，１９９８，２４（１５）：６１５—６１８■　一

基于DDS技术的信号发生器的设计与实现

DDS（Direct Digital Synthesis）技术是一种基于数字信号处理的频率合成技术，通过数字方式生成正弦波信号。DDS信号发生器可以用于科学实验、通信系统中的频率合成、音频处理等应用领域。通过DDS技术，可以实现高精度、稳定性好、频率范围广的信号发生器。

DDS信号发生器的基本原理是：通过一个相位累加器、一个频率累加器和一个波表，来生成一个时域上的正弦波信号，并将其转换为模拟电压信号输出。相位累加器用来控制波表中的每个周期的采样点，频率累加器用来控制相位累加器的步进。波表中存储了一个完整的正弦波周期的数值，波表的长度决定了信号发生器的频率分辨率。

DDS信号发生器的主要模块包括：时钟模块、相位累加器、频率累加器、波表和数模转换器。

时钟模块是DDS信号发生器的产生步进信号的时钟源，可以采用稳定的晶振或者时钟信号源。时钟信号的频率决定了DDS信号发生器的输出信号的频率精度。

相位累加器是DDS信号发生器的核心模块，它接收时钟信号，并根据频率累加器的输入生成一个相位累加信号。相位累加器可以采用简化的模数累加器，根据时钟信号的周期计算脉冲个数，每当相位累加信号增加一个固定的脉冲数时，波表就输出一个采样点。

频率累加器实时地改变相位累加器的步进，从而改变信号发生器的输出频率。频率累加器可以通过输入一个控制信号来改变频率累加器的增加或减少的步进大小，从而实现更精细的频率调节。 波表是DDS信号发生器的存储波形数据的模块。它包含了一个完整的正弦波周期的采样点的数值，波表的长度决定了信号发生器的输出信号的频率分辨率。波表的数据可以事先存储在ROM中，也可以动态生成。

数模转换器将生成的波形数据转换为模拟电压信号输出。数模转换器的位宽决定了输出信号的精度，位宽越大，精度越高。

除了上述基本模块，DDS信号发生器还可以添加比较器、滤波器等模块，以实现输出电平调节、滤波等功能。

毕业设计（论文）材料之二（2）

本科毕业设计(论文)开题报告

题目： 基于FPGA的DDS信号发生器的设计

课 题 类 型： 设计□√ 实验研究□ 论文□

学 生 姓 名： XXX

学 号： 0000000000

专 业 班 级： XXXX

学 院： 电气工程学院

指 导 教 师： XX

开 题 时 间： 201X年X月X日

201X年 X月X 日 一、毕业设计（论文）内容及研究意义（价值）

本问设计基于FPGA的DDS的信号发生器，主要满足一下几个要求：

1. 通过编程产生正弦波、方波、三角波信号基波；

2. 有足够宽的频率；

3. 输出的信号电压能在一定范围内调节；

研究意义

信号发生器是一种常用的信号源，它是一种为电子测量和计量工作提供信号的设备,信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在部队技术保障中，都有着广泛的使用。在测试、研究、调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。随着科学技术的发展和测量技术的进步经济的发展，对信号源的要求越来越高，传统的信号发生器大多采用专用芯片或单片机或模拟电路，成本高、控制方式不灵活,已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需要。但近几年随着FPGA和DDS技术的快速发展和广泛应用，它具有频率分辨率极高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻、有效的降低成本等优点。其在信号发生器上的应用得到了很好的认同，很好的解决了有传统信号发生器带来的一些问题，信号发生器己成为测试仪器中至关重要的一类，因此开基于FPGA的DDS发信号发生器具有重大意义。

二、毕业设计（论文）研究现状和发展趋势（文献综述）