AD9850 波形振荡器.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.38M 资料格式：doc 举报版权申诉

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1 引言

1.1 选题背景

2 DDS概要

2.1 DDS结构

2.1.1 频率预置与调节电路

2.1.2累加器

2.2.3 控制相位的加法器

2.2.4 控制波形的加法器

2.2.5 波形存储器

2.2.6 D/A转换器

2.2.7 低通滤波器

2.2 DDS数学原理

3 总体设计方案

3．1系统设计原理

3．2总体设计框图

4系统硬件模块的组成

4.1 键盘控制模块

4.2单片机控制模块

4.2.1 AT89S52主要性能

4.2.2 AT89S52功能特性描述

4.2.3 时钟电路

4.2.4复位电路

4.3 LCD显示模块

4.3.1 LCD1602的主要性能

4．3.2 LCD1602与单机的连接

4.4 AD9850 与单片机连接模块

4.4.1 AD9850简介

4.4.2 AD9850的控制字与控制时序

4．4.3单片机与AD9850的接口

4.5.滤波电路设计

5 软件设计与调试

5．1 程序流程图

5.2软件调试

6 硬件电路制作

6.1 电路实现的基本步骤

6.2 原理图的绘制

6.3 印制线路板设计的主要问题

1) 焊盘重叠

2) 图形层的滥用

3) 异型孔

4) 字符的放置

5) 单面焊盘孔径的设置

6) 用填充区块画焊盘

7) 表面贴装器件焊盘太短

8) 大面积网格的间距太小

9) 大面积铜箔距外框的距离太近

10) 线条的放置

结论

谢辞

参考文献

附录

第 1 页共 52 页 1 引言 ............................................................. 2 1.1 选题背景 ....................................................... 2 2 DDS 概要 ..........................................................3 2.1 DDS 结构 ........................................................3 2.1.1 频率预置与调节电路 .......................................... 4 2.1.2 累加器 ........................................................4 2.2.3 控制相位的加法器 ............................................. 5 2.2.4 控制波形的加法器 ............................................. 5 2.2.5 波形存储器 ................................................... 5 2.2.6 D/A 转换器 ....................................................6 2.2.7 低通滤波器 ................................................... 6 2.2 DDS 数学原理 ....................................................6 3 总体设计方案 ..................................................... 9 3．1 系统设计原理 ...................................................9 3．2 总体设计框图 ...................................................9 4 系统硬件模块的组成 ...............................................10 4.1 键盘控制模块 .................................................. 10 4.2 单片机控制模块 .................................................10 4.2.1 AT89S52 主要性能 .............................................10 4.2.2 AT89S52 功能特性描述 .........................................11 4.2.3 时钟电路 .................................................... 12 4.2.4 复位电路 .....................................................13 4.3 LCD 显示模块 ...................................................13 4.3.1 LCD1602 的主要性能 ...........................................14 4．3.2 LCD1602 与单机的连接 ........................................15 4.4 AD9850 与单片机连接模块 ....................................... 15 4.4.1 AD9850 简介 ..................................................15 4.4.2 AD9850 的控制字与控制时序 ....................................17 4．4.3 单片机与 AD9850 的接口 .......................................20 4.5.滤波电路设计 .................................................. 21 5 软件设计与调试 .................................................. 22 5．1 程序流程图 ................................................... 22 5.2 软件调试 .......................................................23 6 硬件电路制作 ................................................... 24 6.1 电路实现的基本步骤 ............................................ 24 6.2 原理图的绘制 .................................................. 24 6.3 印制线路板设计的主要问题 ...................................... 25 结论 .............................................................. 27 谢辞 ............................................................ 28 参考文献 .......................................................... 29 附录 ............................................................ 30

第 1 页共 52 页 1 引言 1.1 选题背景在电子技术领域中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输入信号，也就是所谓的信号源。信号源有很多种，包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。作为电子系统必不可少的组成部分的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。随着电子技术的发展，对信号源的要求越来越高，要求其输出频率高达微波频段甚至更高，频率范围从零 Hz 到几 GHz 频率分辨率达到 mHz 甚至更小，相应频点数更多;频率转换时间达到 ns 级:频谱纯度越来越高。同时，对频率合成器功耗、体积、重量等也有更高的要求。而传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大、灵活性与准确度差。而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高，而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。所以要实现高性能的信号源，必须在技术手段上有新的突破。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 (Direct Digital Synthesis DDS)，它是将先进的数字信号处理理论与方法引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直接数字式频率合成技术的出现导致了频率合成领域的一次重大革命。直接数字频率合成器问世之初，构成 DDS 元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了 DDS 的发展与实际应用。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。随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器得到了飞速的发展，它以有别于其他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

第 1 页共 52 页率高、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。现已广泛应用于通讯、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。信号发生器是一种常用的信号源,广泛应用于电子测量、自动控制和工程设计等领域。随着电子技术的发展,对信号源频率的稳定度、准确度以及频谱纯度的要求越来越高。DDS(直接数字合成)技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术,与传统的模拟式波形产生法相比,它具有相位变换连续、频率转换速度快、分辨率高、稳定度高、相位噪声小、便于集成、易于调整及控制灵活等多种优点。基于 DDS 技术的信号发生器是一类新型信号源,它已成为众多电子系统中不可缺少的组成部分 2 DDS 概要 2.1 DDS 结构 1971 年，美国学者 J.Tierney 等人撰写的“A Digital Frequency Synthesizer”- 文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新组成原理。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，故没受到重视。近几年间，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、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。DDS 是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。直接数字频率合成器（Direct Digital Synthesizer）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法

第 1 页共 52 页器、波形存储 ROM、D/A 转换器和低通滤波器（LPF）构成。DDS 的原理框图如下所示： N 位 N 位 Sn St 频率控制字 K 相位控制字 P 波形控制字 W 图 2.1 DDS 原理框图其中 K 为频率控制字、P 为相位控制字、W 为波形控制字、fc 为参考时钟频率，N 为相位累加器的字长，D 为 ROM 数据位及 D/A 转换器的字长。相位累加器在时钟 fc 的控制下以步长 K 作累加，输出的 N 位二进制码与相位控制字 P、波形控制字 W 相加后作为波形 ROM 的地址，对波形 ROM 进行寻址，波形 ROM 输出 D 位的幅度码 S(n)经 D/A 转换器变成阶梯波 S(t)，再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形 ROM 中存放的幅度码，因此用 DDS 可以产生任意波形。这里我们用 DDS 实现正弦波的合成作为说明介绍。 2.1.1 频率预置与调节电路 K 被称为频率控制字，也叫相位增量。DDS 方程为：f0=fCLK/2n，f0 为输出频率，fc 为时钟频率。当 K=1 时，DDS 输出最低频率（也即频率分辨率），为 fc/2n, 而 DDS 的最大输出频率由 Nyquist 采样定理决定，即 fc/2，也就是说 K 的最大值为 2N-1。因此，只要 N 足够大，DDS 可以得到很细的频率间隔。要改变 DDS 的输出频率，只要改变控制字 K 即可。 2.1.2 累加器

第 1 页共 52 页频率控制字相位量化序列 fc 图 2.2 累加器框图相位累加器由 N 位加法器与 N 位寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲 fc，加法器将频率控制字 K 与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。寄存器将加法器在上一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加。这样，相位累加器在时钟的作用下，进行相位累加。当相位累加器累加满时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作。 2.2.3 控制相位的加法器通过改变相位控制字 P 可以控制输出信号的相位参数。令相位加法器的字长为 N，当相位控制字由 0 跃变到 P（P≠0）时，波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字 P 之和，因而其输出的幅度编码相位会增加 P/2N，从而使最后输出的信号产生相移。 2.2.4 控制波形的加法器通过改变波形控制字 W 可以控制输出信号的波形。由于波形存储器中的不同波形是分块存储的，所以当波形控制字改变时，波形存储器的输入为改变相位后的地址与波形控制字 W（波形地址）之和，从而使最后输出的信号产和相移。 2.2.5 波形存储器用相位累加器输出的数据作为波形存储器的取样地址，进行波形的相位一幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形的抽样幅值。N 位的寻址 ROM 相当于把 0°～360°的正弦信号离散成具有 2N 个采样值的序列，若波形 ROM 有 D 位数据位，则 2N 个样值的幅值 D 位二进制数值固化在 ROM 中，按照地址的

第 1 页共 52 页不同可以输出相应相位的正弦信号的幅值。相位—幅度变换原理图如下图所示：相位量化序列波形幅度量化序列地址（数据）图 2.3 相位—幅度变换原理图 2.2.6 D/A 转换器 D/A 转换器的作用是把合成的正弦波数字量转换成模拟量。正弦幅度量化序列 S(n)经 D/A 转换后变成了包络为正弦波的阶梯波 S(t)。需要注意的是，频率合成器对 D/A 转换器的分辨率有一定的要求，D/A 转换器的分辨率越高，合成的正弦波 S(t)台阶数就越多，输出的波形的精度也就越高。 2.2.7 低通滤波器对 D/A 输出的阶梯波 S(t)进行频谱分析，可知 S(t)中除主频 fo 外，还存在分布在 fc,2fc 等等的两边±fo 处的非谐波分量，幅值包络为辛格函数。因此，为了取出主频 f0,必须在 D/A 转换器的输出端接入截止频率为 fc/2 的低通滤波器。 2.2 DDS 数学原理设有一频率为 f 的余弦信号 )(tS ： S t )(  cos( 2 ft  ) 现在以采样频率 cf 对 )(tS 进行采样，得到的离散序列为： S )( n  cos( 2 fnT  c ) 2,1,0n

第 1 页共 52 页其中 T c 1 为采样周期。 f c 对应的相位序列为  2 )(  n fnT c ,2,1,0n 从上式可以看出相位序列呈线性，即相邻的样值之间的相位增量是一个常数，而且这个常数仅与信号的频率 f 有关，相位增量为：  )(  n fT2 c 因为信号频率 f 与采样频率 cf 之间有以下关系： f f c  K M 其中 K 与 M 为两个正整数，所以相位的增量也可以完成：   )( n  2 K  M 由上式可知，若将 2 的相位均匀的分为 M 等份，那么频率为 f 2 K M 的余弦信号以频率 cf 采样后，它的量化序列的样品之间的量化相位增量为一个不变值 K 。根据上述原理可以构造一个不变量 K 为量化相位增量的量化序列： n )( nK 2,1,0n 然后完成从 )(n 到另一个序列 )(nS 的映射，由 )(n 构造序列： )( nS  cos )( n 2  M  cos 2 nK  K  cos( 2 fnT  c ) 公式（2—1）公式（2-1）是连续信号 )(tS 经采样频率为 cf 采样后的离散时间序列，根据采样定理，当 f f c  K M 1 2 时， )(nS 经过低通滤波器平滑后，可唯一恢复出 )(tS 。

第 1 页共 52 页可见，通过上述变换不变量 K 将唯一的确定一个单频率模拟余弦信号 )(tS ：该信号的频率为： )(  tS cos c2 tKf M f 0 Kf c M 公式（2—2）公式（2—2）就是直接数字频率合成（DDS）的方程式，在实际的 DDS 中，一般取 M 2 ，于是 DDS 方程就可以写成： N f 0  cKf N 2 公式（2—3）根据公式（2—3）可知，要得到不同的频率只要通过改变 K 的具体数值就可以了，而且还可以得到 DDS 的最小频率分辨率（最小频率间隔）为当 1K 时的输出频率： f res  f 2 c N 可见当参考频率 cf 始终一定是，其分辨率由相位累加器的位数 N 决定，若取 f c  100 MHz ， 32N ，则 f res .0 024 Hz ，即分辨率可以达到 024.0 Hz ，这也是最低的合成频率，输出频率的高精度 DDS 的一大优点。由奈奎斯特准则可知，允许输出的最高频率际上在应用中受到低通滤波器的限制，通常 f o max 一般： f o max  ，即 f c 2 K 12   N ，但实  ，以便于滤波镜像频率， f c 2 f o max  %40  f c

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