正弦信号发生器设计
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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。 DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨率、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， 为系 统提供了优于模拟信号源的性能。 （1）输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为50%fs（理论值） 。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以 及对输出信号误差的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。 （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 （3）频率分辨率极高 若时钟fs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1mHz甚至更小。 （4）相位变化连续 改变DDS输出频率， 实际上改变的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。
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6.2 测试结果误差分析........................................................34 参 考 文 献.............................................................................. 36 致 谢........................................................................................ 37
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另外，信号源还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发 生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。信号源也可以按照 使用频段分类，不同频段的信号源对应不同应用领域。 （1）函数信号发生器 函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波 等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。 函数波形发生器在设计上分为模拟和数字合成式。众所周知，数字合成式函 数信号源（DDS）无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟式， 其锁相环 （PLL） 的设计让输出信号不仅是频率精准， 而且相位抖动 （phase Jitter） 及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模拟电路 之间的干扰始终难以有效克服， 也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号 发生器，如今市场上的大部分函数信号发生器均为DDS信号源。 （2）任意信号发生器 任意波形发生器， 是一种特殊的信号源， 不仅具有一般信号源波形生成能力， 而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。 由于任意波形发生往往依赖计算机通讯输出波形数据，在计算机传输中，通 过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，和更进一步的仿真实 验。另外，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对 比， 或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。有些任意波形发 生器有波形下载功能， 在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波 器等仪器把波形实时记录下来， 然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到 设计电路，更进一步实验验证。
关键字：信号发生器，TMS320C5410,AT89S51,主机接口 HPI
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山......................................................... 错误！未定义书签。 1.1 信号发生器简介..............................................................2 1.2 DDS 的背景和意义..........................................................3 2 系统原理分析.................................................... 错误！未定义书签。 2.1 正弦波的产生方法..........................................................6 2.2 频率合成技术分析..........................................................7 2.3 正弦波振荡器.................................................................... 3 高速微处理器.................................................... 错误！未定义书签。 3.1 采用高速的微处理芯片的解决方案........ 错误！未定义书签。 3.2 采用高速微处理器的 DDS 的设计............................. 20 3.3 DDS 关键技术设计.....................................................21
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1绪 论
1.1 信号发生器简介
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应 用。凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生 被测电路所需特定参数的电测试信号。
1.1.1 国内外研究现状
19世纪80年代以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电 容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械 驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为 音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器。随着无线电应用领域的扩展， 针对广播、电视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方 式的多样化，从调幅、调频、调相到脉冲调制。1980年以后，数字技术日益成熟， 信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路， 从一个频率基准由数字 合成电路产生可变频率信号。调制方式更加复杂，出现同相/正交调制至宽频数 字调制。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态 范围大、容易编程、适用性强和使用方便的激励源。 目前， 常用的信号发生器绝大部分由模拟电路或数字电路构成，体积和功耗 都很大，价格也比较贵，已经无法满足高精度高稳定性能信号发生器的要求。随 着微电子技术和计算机技术的发展， 以 DSP 微处理器及 DSP 软硬件开发系统(例 如集成开发环境 CCS)及配套产品为内容已形成了庞大并极具前途的高新技术产 业，而可编程逻辑器件、SOPC 等新技术的应用迅速渗透到电子、信息、通信等 领域， 这些为新型高性能高精度信号发生器的设计提供了可能，其中一种最有前 途的技术就是直接数字频率合成技术。
4 硬件设计............................................................ 错误！未定义书签。 4.1 芯片简介.................................................... 错误！未定义书签。 4.2 整体电路设计............................................ 错误！未定义书签。 5 信号发生器的软件设计........................................................ 27 5.1 软件总体设计................................................................27 5.2 单片机控制部分程序设计............................................28 5.3 DSP 和单片机的主机接口程序设计............................ 29 6 系统性能测试及总结............................................................ 33 6.1 测试结果........................................................................33
毕业设计（论文）
标
题：
正弦信号发生器设计 XXX 计算机信息系 电子信息工程技术 电子 331002 4233100218 XX
学生姓名： 系 专 班 学 部： 业： 级： 号：
指导教师：
山西煤炭职业技术学院
2013 年 06 月 03 日
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摘
要
在 21 世纪的今天， 信号发生器已经广泛地应用于雷达应用， 通信系统的仿真 与测试等国防、科研和工业领域。而随着社会的不断进步和科研的不断深入，对 信号发生器的波形可编程性、波形的精度与稳定性等性能提出了更高的要求。基 于 DSP 的信号发生器正是以其编程的高度灵活性， 波形的高精度与高稳定性等特 点而脱颖而出，具有极大的应用价值和广泛的应用前景。 该信号发生器主要由 TMS320C5402 和 AT89S51 两大部分组成。 在 DSP 芯片 上完成对波形的编程，在单片机上完成控制显示等功能，充分发挥芯片各自的优 势。 该信号发生器的硬件设计中 TMS3205410 和 AT89S51 采用主机接口 HPI 进行 通信，DSP 接受来自单片机的命令，根据频率控制字得到相位累加器的累加值， 最后将相位累加器的结果高 16 位送地址线，到 ROM 表中取得正弦波的离散值， 送到 D/A 转换器进行数模转换，得到所需要波形。 该信号发生器的软件编程主要采用模块化的设计思想，把程序细化成易于实 现的小模块。编程的语言主要采用执行效率高的汇编语言，C 语言和汇编语言混 合使用的方式灵活的编写程序。 通过软硬件的联合调试最终产生正弦波，并成功的实现了其波形频率的可调 性。
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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。 DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨率、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， 为系 统提供了优于模拟信号源的性能。 （1）输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为50%fs（理论值） 。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以 及对输出信号误差的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。 （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 （3）频率分辨率极高 若时钟fs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1mHz甚至更小。 （4）相位变化连续 改变DDS输出频率， 实际上改变的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。
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另外，信号源还可以按照输出信号的类型分类，如射频信号发生器、扫描信号发 生器、频率合成器、噪声信号发生器、脉冲信号发生器等等。信号源也可以按照 使用频段分类，不同频段的信号源对应不同应用领域。 （1）函数信号发生器 函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波 等波形，有的还同时具有调制和扫描功能。 函数波形发生器在设计上分为模拟和数字合成式。众所周知，数字合成式函 数信号源（DDS）无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟式， 其锁相环 （PLL） 的设计让输出信号不仅是频率精准， 而且相位抖动 （phase Jitter） 及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字式信号源中，数字电路与模拟电路 之间的干扰始终难以有效克服， 也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号 发生器，如今市场上的大部分函数信号发生器均为DDS信号源。 （2）任意信号发生器 任意波形发生器， 是一种特殊的信号源， 不仅具有一般信号源波形生成能力， 而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。 由于任意波形发生往往依赖计算机通讯输出波形数据，在计算机传输中，通 过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，和更进一步的仿真实 验。另外，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对 比， 或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。有些任意波形发 生器有波形下载功能， 在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波 器等仪器把波形实时记录下来， 然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到 设计电路，更进一步实验验证。
关键字：信号发生器，TMS320C5410,AT89S51,主机接口 HPI
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山......................................................... 错误！未定义书签。 1.1 信号发生器简介..............................................................2 1.2 DDS 的背景和意义..........................................................3 2 系统原理分析.................................................... 错误！未定义书签。 2.1 正弦波的产生方法..........................................................6 2.2 频率合成技术分析..........................................................7 2.3 正弦波振荡器.................................................................... 3 高速微处理器.................................................... 错误！未定义书签。 3.1 采用高速的微处理芯片的解决方案........ 错误！未定义书签。 3.2 采用高速微处理器的 DDS 的设计............................. 20 3.3 DDS 关键技术设计.....................................................21
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1绪 论
1.1 信号发生器简介
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应 用。凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生 被测电路所需特定参数的电测试信号。
1.1.1 国内外研究现状
19世纪80年代以前，信号发生器全部属于模拟方式，借助电阻电容，电感电 容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械 驱动可变元件，如电容器或谐振腔来完成，往往调节范围受到限制，因而划分为 音频、高频、超高频、射频和微波等信号发生器。随着无线电应用领域的扩展， 针对广播、电视、雷达、通信的专用信号发生器亦获得发展，表现在载波调制方 式的多样化，从调幅、调频、调相到脉冲调制。1980年以后，数字技术日益成熟， 信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路， 从一个频率基准由数字 合成电路产生可变频率信号。调制方式更加复杂，出现同相/正交调制至宽频数 字调制。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态 范围大、容易编程、适用性强和使用方便的激励源。 目前， 常用的信号发生器绝大部分由模拟电路或数字电路构成，体积和功耗 都很大，价格也比较贵，已经无法满足高精度高稳定性能信号发生器的要求。随 着微电子技术和计算机技术的发展， 以 DSP 微处理器及 DSP 软硬件开发系统(例 如集成开发环境 CCS)及配套产品为内容已形成了庞大并极具前途的高新技术产 业，而可编程逻辑器件、SOPC 等新技术的应用迅速渗透到电子、信息、通信等 领域， 这些为新型高性能高精度信号发生器的设计提供了可能，其中一种最有前 途的技术就是直接数字频率合成技术。
4 硬件设计............................................................ 错误！未定义书签。 4.1 芯片简介.................................................... 错误！未定义书签。 4.2 整体电路设计............................................ 错误！未定义书签。 5 信号发生器的软件设计........................................................ 27 5.1 软件总体设计................................................................27 5.2 单片机控制部分程序设计............................................28 5.3 DSP 和单片机的主机接口程序设计............................ 29 6 系统性能测试及总结............................................................ 33 6.1 测试结果........................................................................33
毕业设计（论文）
标
题：
正弦信号发生器设计 XXX 计算机信息系 电子信息工程技术 电子 331002 4233100218 XX
学生姓名： 系 专 班 学 部： 业： 级： 号：
指导教师：
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摘
要
在 21 世纪的今天， 信号发生器已经广泛地应用于雷达应用， 通信系统的仿真 与测试等国防、科研和工业领域。而随着社会的不断进步和科研的不断深入，对 信号发生器的波形可编程性、波形的精度与稳定性等性能提出了更高的要求。基 于 DSP 的信号发生器正是以其编程的高度灵活性， 波形的高精度与高稳定性等特 点而脱颖而出，具有极大的应用价值和广泛的应用前景。 该信号发生器主要由 TMS320C5402 和 AT89S51 两大部分组成。 在 DSP 芯片 上完成对波形的编程，在单片机上完成控制显示等功能，充分发挥芯片各自的优 势。 该信号发生器的硬件设计中 TMS3205410 和 AT89S51 采用主机接口 HPI 进行 通信，DSP 接受来自单片机的命令，根据频率控制字得到相位累加器的累加值， 最后将相位累加器的结果高 16 位送地址线，到 ROM 表中取得正弦波的离散值， 送到 D/A 转换器进行数模转换，得到所需要波形。 该信号发生器的软件编程主要采用模块化的设计思想，把程序细化成易于实 现的小模块。编程的语言主要采用执行效率高的汇编语言，C 语言和汇编语言混 合使用的方式灵活的编写程序。 通过软硬件的联合调试最终产生正弦波，并成功的实现了其波形频率的可调 性。
