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DDS芯片的应用

  • 简介:(毕业论文 字数:15850 页数:36)摘 要:随着现代电子技术的发展,高精度数字频率源在通讯、雷达、宇航、电视广播、遥控遥测、电子测量等领域得到了广泛的应用。本课题研究的数字频率源采用高集成度DDS芯片AD9851作为频率源;以单片机AT89C51作为系统的...
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(毕业论文 字数:15850 页数:36)摘 要:随着现代电子技术的发展,高精度数字频率源在通讯、雷达、宇航、电视广播、遥控遥测、电子测量等领域得到了广泛的应用。本课题研究的数字频率源采用高集成度DDS芯片AD9851作为频率源;以单片机AT89C51作为系统的控制中心,实现了10Hz~20MHz的高精度、高稳定度的频率输出。10MHz内信号幅度的平坦度为0.1dB、频率最小步进为10Hz(步进可任意设置)。系统人机界面友好。
本文介绍了DDS的基本原理及其性能特点,总结了前人的研究成果,并在此基础上设计了一个比较合理的高精度数字正弦信号频率源。从总体方案到具体的单元电路,均做了详细的理论分析和设计,并设计了相应的软件系统。

关键字:频率源,直接数字频率合成,频率分辨率,AD9851

 

ABSTRACT:With the development of modern electronic technology, high-precision digital frequency source has wide application in the communications, radar, aerospace, television broadcasting, remote telemetry and electronic measurement fields. The digital frequency source this paper researched uses high integrated DDS chip AD9851 as frequency sources and signal mirac processors AT89C51 as system control center, it can output 10Hz-20MHz signal with high-precision and high stability frequency. The evenness of signal within the range of 10MHz is low to 0.1dB degree, and the smallest step is low to 10Hz frequency (step could be set arbitrarily). It has a friendly interface in the system.
The paper introduces the basic principles and performance characteristics of DDS, summarize the study results of predecessors, and on this basis design a quite reasonable project of high-precision digital frequency source. From the overall scheme to the specific circuit modules, their theoretical analysis and design are done in detail, the corresponding software is designed also.

Key words: Frequency Source; DDS; Frequency Resolution Ratio; AD9851

目 录
第1章 绪论 1
1.1 频率合成的概念及主要技术指标 1
1.2 课题研究背景及意义 3
1.3 课题的要求 4
1.4 课题的主要工作及各章节安排 4
第2章 DDS技术的基本理论 6
2.1 DDS的基本工作原理 6
2.2 DDS的原理框图 7
2.1.1参考时钟源 8
2.2.2相位累加器 8
2.2.3正弦查表(ROM) 9
2.2.4 D/A变换器 9
2.2.5 低通滤波器 9
2.3直接数字式频率(DDS)合成技术的特点 9
2.3.1 DDS的相对带宽很大 9
2.3.2 DDS频率转换时间极短 10
2.3.3 DDS的频率分辨力很高 10
2.3.4 频率转换时的相位连续性好 10
2.3.5 易于集成、易于调整 10
第三章 系统方案设计 12
3.1总体方案设计 12
3.2正弦信号发生器 12
3.2.1 DDS芯片介绍 13
第四章 硬件系统分析与设计 16
4.1 单片机主控电路 16
4.1.1 主控芯片介绍 16
4.1.2 主控电路框图 18
4.1.3键盘电路的设计 19
4.1.4 显示电路的设计 20
4.2正弦波信号产生电路 21
4.3 信号调理电路 22
4.4 稳压电源电路 24
第五章 软件系统分析与设计 25
5.1 软件的基本结构 25
5.2 人机对话模块 26
5.3 正弦信号模块 28
5.4 数据处理程序 29
第六章 总结与展望 30
参考文献 31
致 谢 32
附 录 33

第1章 绪论
1.1 频率合成的概念及主要技术指标
频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源通过频率域的线性运算,产生具有同样稳定度和精确度的大量离散频率的过程。基于此原理制成的频率源为频率合成器。
频率合成器是现代电子系统的重要组成部分;
①在通信、雷达和导航等设备中,频率合成器既是发射机的激励信号源,又是接
收机的本地振荡器;
②在电子对抗设备中,它可以作为干扰信号发生器;
③在测试设备中,可作为标准信号源。
因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。频率合成器的性能需要一系列指标来表征,但由于不同用途的合成器性能差异较大,故难以给出完整的指标系列。这里只给出一些基本的技术指标。
(1)频率范围:频率合成器输出最低频率fomin和输出最高频率fomax之间的变化范围。也常用相对带宽Δf来衡量频率范围。

(2)频率分辨率:频率合成器输出的两相邻频率点之间的间隔。不同用途的频率合成器对频率分辨率的要求相差很大。
(3)频率切换时间:从发出频率切换的指令开始,到频率切换完成,并进入允许的相位误差范围所需要的时间。它与频率合成的方式密切相关。
(4)谐波抑制和杂散抑制:谐波抑制是指载波整数倍频率处单根谱线的功率与载波功率之比,而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比,它们表征了频率源输出谱的纯度。频率源中的谐波和杂散主要由频率源中的非线性元件产生,也有频率源内外干扰的影响,还与频率合成的方式有关。
<5)频率稳定度:指在规定的时间间隔内,频率合成器输出频率偏离标定值的数值,它分长期、短期和瞬间稳定度三种。
<6)调制性能:指频率合成器的输出是否具有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)等功能。

1.2频率合成技术的发展
频率合成技术起源于二十世纪30年代,至今已有七十多年的历史。频率合成方法大致可分为直接合成法和间接合成法。早期的频率合成方法是直接频率合成(direct frequency synthesis )。直接频率合成是利用混频、倍频、分频的方法由参考源频率经加、减、乘、除运算直接组合出所需要的频率的频率合成方法。它的优点是频率捷变速度快,相位噪声低,但直接式频率合成器杂散多,体积大,
结构复杂,成本及功耗也大,故该方案已基本被淘汰。
在直接频率合成之后出现了间接频率合成(Indirect Frequency Synthesis ) ,间接频率合成包括模拟间接频率合成(注入锁相、模拟环路锁相、取样锁相),锁相环频率合成,数字锁相频率合成。这种方法主要是将相位反馈理论和锁相技术运用于频率合成领域,它的主要代表是锁相环PLL(Phase-Locked Loop)频率合成被称为第二代频率合成技术。现在最常用的结构是数模混合的锁相环,即数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式。
当环路锁定后,可变分频器的输出频率,fn=fr(fr是参考分频器频率),而fn=f0/N(f0是输出频率),所以f0=Nfr,由此可看出,通过频率选择开关改变分频比N,VCO的输出频率将控制在不同的频道上,因此要想得到多的频率且频率间隔小,只有减小fr,增大N。它的优点是因为fr小,即鉴相频率低,锁定时的频率变化小,所以具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制干扰能力,大量节省了滤波器。但是缺点是正因为fr小,输出频率范围小,要扩大输出频率范围,必须增大fr和N,频率间隔就会变大,频率转换速度慢,频率分辨率低[1]。
现在锁相环频率合成器仍以其相位噪声低、杂散抑制好、输出频率高、价格
便宜等优点在频率合成领域占有重要地位。目前已有许多性能优良的单片PLL频率合成器面世,典型的有Motorola公司的MC145191,Qualcomm公司的Q3236,
National Semiconductor的LMX2325, LMX2326, LMX2330。这极大地推动了PLL
频率合成方式的应用。
随着数字信号理论和超大规模集成电路VLSI的发展,在频率合成领域诞生
了一种革命性的技术,那就是七十年代出现的直接数字频率合成DDS ( Direct
Digital Frequency Synthesis ),它的出现标志着频率合成技术迈进了第三代。1971年3月,J.Tierney和C.M.Tader等人首先提出了DDS的概念[2]:利用数字方式累加相位,再以相位之和作为地址来查询正弦函数表得到正弦波幅度的离散数字序列,最后经DAC变换得到模拟正弦波输出。DDS由于具有极高的频率分辨率,极快的变频速度,变频时相位连续,相位噪声较低,易于功能扩展和全数字化便于集成等优点,因此在短短的二十多年里得到了飞速的发展和应用。
通过回顾频率合成技术的发展,可以总结出各自的性能特点。
直接式频率合成的输出信号有相干和非相干两种,可达微秒、亚微秒级的频
率切换速度是直接式频率合成技术的主要特色,相噪低也是它的优点。但直接式
频率合成器电路结构复杂、体积大、成本较高,研制调试一般比较困难。由于采
用了大量的混频、滤波电路,直接式频综很难抑制因非线性而引入的杂波干扰,
因而难以达到较高的杂波抑制度。
PLL频率合成利用了相位反馈控制原理来稳频,在频率切换速度要求不高,但对相噪、杂散有较高要求时,PLL频率合成有特殊的优势。PLL式频综输出的
频率分辨率越高时,其频率切换速度就越慢。如果要提高切换速度,就必须牺牲
分辨率,这是PLL的工作机理所致,无法通过性能优化来解决。所以在选择锁相式频率合成时除了考虑频谱纯度外,还要考查其他性能是否满足要求。
DDS的全数字结构给频率合成领域注入了新的活力,但也正是全数字结构使DDS有两点不足:输出带宽较窄和杂散抑制较差。由于受数字器件工作速度的限制,特别是数/模转换器DAC的限制,使得DDS工作的时钟频率较低,输出带宽窄,很难直接应用于微波频段。杂散是DDS本身所固有的缺点,且随着输出带宽的扩展,杂散将越来越明显地成为抑制DDS发展的重要因素。
随着电子技术的发展,各类电子系统对信号源的要求越来越高,需要同时满
足低相噪、快捷变频、高频率分辨率、带宽、小体积、低功耗等指标。由上面的
分析可知,虽然这三种频率合成方式都可以在某些指标上获得理想的效果,但没
有一种方式可以满足所有的技术要求。
实际上,由于三种方式各有优劣,完全可以利用优势互补,所以产生了混合
式频率合成技术(Hybrid Frequency Synthesis )。其中DDS与PLL频率合成混合
应用最为广泛,基本原理即利用DDS的输出作为PLL的参考输入,来解决频率
分辨率和相噪的矛盾[3]。
1.2 课题研究背景及意义
随着科学技术的发展,在现代通信系统、教学科研以及各种电子测量技术中,常常离不开一个高精度、频率可数字控制的信号源,这就是数字频率合成器。作为电子系统必不可少的频率源,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”。国外已有数字化的智能函数发生器产品,例如HP公司的HP-3335A,HP-8642B;FLUKE公司6080A等产品,但其价格昂贵,并且多为射频信号发生器[4]。
本课题所研制的高精度数字频率源从设计原理上综合了传统的硬件电路产生函数信号波形和采用直接数字合成技术产生函数信号波形的优点,输出信号性能得到明显改善。采用美国AD公司的DDS芯片AD9851作为频率源,大大简化了系统结构,提高了系统性能和可靠性,降低了成本;同时,采用作美国ATMEL公司的8位单片机AT89C51为处理器,可大大提高处理速度和系统控制的灵活性。系统采用键盘和LED作为人机对话窗口,具有良好的人机界面,并能实时显示输出信号的相关参数,方便操作。本课题研制的高精度频率正弦信号发生器,具有设计新颖、结构简单、高性能、控制灵活等特点。希望通过毕业设计能进一步巩固我的专业知识,增强工程实际应用能力和创新意识,为今后的学习工作奠定一个良好的基础,这将是我最大的收获。
1.3 课题的要求
课题要求设计完成一个高精度数字正弦信号频率源,并具有良好的人机界面。具体的指标如下:
(1)基本要求
1)正弦波输出频率范围:20Hz~20MHz;
2)具有频率设置功能,频率步进:1KHz;
3)输出信号频率稳定度:优于10-4;
4)输出电压幅度:在 负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥1V;
5)失真度:用示波器观察时无明显失真。
6)输出电压幅度:在频率范围内 负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V±1V;
1.4 课题的主要工作及各章节安排
本文针对课题的要求,设计了一个高稳定、高精度智能型频率源。其主要工作包括:
(1)DDS及波形产生技术:DDS芯片AD9851的典型应用。
(2)单片机接口技术:研究美国ATMEL公司的8位单片机AT89C51的特性、最小系统,完成了调制信号产生电路、人机接口电路等的设计制作。
(3)信号调理技术:对输出的模拟波形进行信号调理,实现信号滤波、宽带放大与信号调制。
(4)软件设计:根据各功能电路的时序要求,采用模块化程序设计方法,设计了合理的系统软件。
论文共分六章,按照如下结构组织:
第一章为绪论,介绍了频率合成的概念,对其发展历史做了回顾,并比较了国内外直接数字式频率合成技术的现状。
第二章介绍了DDS技术的基本理论。先阐述了DDS的工作原理和内部结构,然后归纳了直接数字式频率(DDS)合成技术的特点。
第三章讲述了DDS频率合成器的总体方案设计,重点针对AD公司的DDS芯片AD9851做了电路设计分析和性能分析。
第四章讲述DDS频率合成器的硬件系统分析与设计。包括单片机主控电路,键盘显示电路,信号调理电路,稳压电源电路的设计以及主控芯片AT89C51的介绍。
第五章讲述DDS频率合成器的软件系统分析与设计。包括软件的基本结构,人机对话模块,数据处理模块。
第六章为论文总结。给出了设计所达到的一些功能,指出了系统的不足之处。

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