基于DDS技术的正弦波信号发生器的研究
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资料介绍：
摘要：本系统设计一个正弦信号发生器，使用16位单片机SPCE061A作为中央控制器，结合DDS芯片AD9850，产生0～15MHz频率可调的正弦信号,正弦信号频率设定值可断电保存；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。
关键词：信号发生器；正弦信号；SPCE061；AD9850
在数字信号处理器飞速发展的今天，微处理器的应用已主领着电子技术领域的潮流，先进的数字信号处理技术，能实现各种复杂的功能。对正弦波信号发生器而言，数字DDS技术的诞生，使波形发生器技术有了进一步的飞跃。
在许多电子系统中，经常需要用到频率和幅度可调的正弦波信号作为基准或载波信号。正弦渡信号主要通过模拟电路或DDS(Direct Digital Synthesis)等两种方式产生.相对于模拟电路，DDS具有相位连续、频率分辨率高、转换速度快、信号稳定等诸多优点，因此，DDS存雷达、通信、测试、仪表等领域得到了广泛的应用
DDS是一项关键的数字化技术。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。
一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。
正如其基本数学论所表现的，基于数字的信号处理模块在架构上常常会使人联想起以前的模拟模块。例如，连续时间与离散时间过滤器设计所采用的傅立叶变换与Z变换的并行处理，构成了像“形”与“阶”这样的表达式。还有许多其他并行结构的例子。的确，非类似结构在采用线性与数字实现的基本函数中并不常见。因此，数字电路常常用数字信号来表现模拟电路一般用电压或电流来表示的相同物理现象。
而DDS（又称为NCO（数字控制振荡器））则正相反。不像大多数频率发生器，DDS不采用可调谐反馈回路，而是直接用数字形式来构造其输出波形。因为简单，故其结构特别通用，已广泛用于汽车收音机、数据通信系统及医学成像仪等各种设备。NCO所采用的形式也是多种多样的，例如：IP（知识产权或专利）、IC、板卡及仪器等，全都能从不同供应商处得到。
DDS的应用范围不仅限于在技术发展中形成的几个有趣的停留点，同时也提出了数字频率合成器所必须满足的要求以及IC与OEM设计者所必须解决的频率合成问题。NCO具有的优势包括相位连续频率切换与调谐间隔间的幅度恒定等。这种信号源还能提供数字控制下的精细频率与相位调谐。对于采用跳频算法的系统，NCO可提供快速跳频且没有明显的下冲与过冲（参考文献1）。在正交应用中，DDS可以以相当低的成本提供一对具有无与伦比的幅度匹配与相位一致性的I、Q通道。DDS还能在时间与温度变化条件下提供出色的长期频率与幅度稳定性，且只有很少的参数依赖性。
DDS有如下优点：
1）频率分辨率高，输出频点多，可达N个频点(N为相位累加器位数)；
2）频率切换速度快，可达us量级；
3）频率切换时相位连续；
4）可以输出宽带正交信号；
5）输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；
6）可以产生任意波形；
本系统采用DDS芯片实现了1k～10MHz正弦信号的输出功能，并与MCU（SPCE061A精简开发板），模拟开关，模拟乘法器结合实现了调幅、调频、PSK、ASK的输出功能。在操作方面采用了全中文操作菜单方式，界面友好，操作简单，易懂。
毕业设计说明书目录
1 引言……………………………………………………………………………………1
2 方案论证………………………………………………………………………………2
2．1主控制器………………………………………………………………………2
2．1．1方案一………………………………………………………………………2
2．1．2方案二………………………………………………………………………3
2．2 正弦信号发生器……………………………………………………………………3
2．2．1方案一………………………………………………………………………3
3．2．2 方案一………………………………………………………………………3
2．3 输出电压放大………………………………………………………………………3
2．3．1方案一………………………………………………………………………3
2．3．2方案一………………………………………………………………………3
2．4 FM调频电路………………………………………………………………………3
(优秀毕业设计 www.2bysj.cn)
2．4．1 方案一………………………………………………………………………3
2．4．2 方案二 ……………………………………………………………………4
2．5 FM调频电路………………………………………………………………………4
2．5．1 方案一………………………………………………………………………4
2．5．2 方案一………………………………………………………………………4
2．6 产生二进制PSK、ASK信号………………………………………………………4
2．6．1 方案一………………………………………………………………………4
2．6．2 方案一………………………………………………………………………4
3 详细硬件设计……………………………………………………………………………4
4 软件设计………………………………………………………………………………16
4．1程序流程………………………………………………………………………17
4．2程序……………………………………………………………………………17
5软硬件系统的调试……………………………………………………………………29
6 附录……………………………………………………………………………………32
7参考文献………………………………………………………………………………34
参考文献
[1] 2003年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编，北京理工大学出版社2003.
[2] 凌阳大学计划.MINIOS用户操作手册.北京：北阳科技，2003.8.14：58～62.
[3]白振华,赵兴群,夏翎,袁帅. 基于DDS的任意波形发生器. 现代科学仪器, 2001（6）: 44-47
[4] 王永,刘志强,刘硕. DDS在任意波形发生器中的应用. 仪表技术,2001(4): 22-23.
[5] 王文钦.高质量微波信号源发生器研制.电子质量,2004(2): 12-14.
关键词：信号发生器；正弦信号；SPCE061；AD9850
在数字信号处理器飞速发展的今天，微处理器的应用已主领着电子技术领域的潮流，先进的数字信号处理技术，能实现各种复杂的功能。对正弦波信号发生器而言，数字DDS技术的诞生，使波形发生器技术有了进一步的飞跃。
在许多电子系统中，经常需要用到频率和幅度可调的正弦波信号作为基准或载波信号。正弦渡信号主要通过模拟电路或DDS(Direct Digital Synthesis)等两种方式产生.相对于模拟电路，DDS具有相位连续、频率分辨率高、转换速度快、信号稳定等诸多优点，因此，DDS存雷达、通信、测试、仪表等领域得到了广泛的应用
DDS是一项关键的数字化技术。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。
一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。
正如其基本数学论所表现的，基于数字的信号处理模块在架构上常常会使人联想起以前的模拟模块。例如，连续时间与离散时间过滤器设计所采用的傅立叶变换与Z变换的并行处理，构成了像“形”与“阶”这样的表达式。还有许多其他并行结构的例子。的确，非类似结构在采用线性与数字实现的基本函数中并不常见。因此，数字电路常常用数字信号来表现模拟电路一般用电压或电流来表示的相同物理现象。
而DDS（又称为NCO（数字控制振荡器））则正相反。不像大多数频率发生器，DDS不采用可调谐反馈回路，而是直接用数字形式来构造其输出波形。因为简单，故其结构特别通用，已广泛用于汽车收音机、数据通信系统及医学成像仪等各种设备。NCO所采用的形式也是多种多样的，例如：IP（知识产权或专利）、IC、板卡及仪器等，全都能从不同供应商处得到。
DDS的应用范围不仅限于在技术发展中形成的几个有趣的停留点，同时也提出了数字频率合成器所必须满足的要求以及IC与OEM设计者所必须解决的频率合成问题。NCO具有的优势包括相位连续频率切换与调谐间隔间的幅度恒定等。这种信号源还能提供数字控制下的精细频率与相位调谐。对于采用跳频算法的系统，NCO可提供快速跳频且没有明显的下冲与过冲（参考文献1）。在正交应用中，DDS可以以相当低的成本提供一对具有无与伦比的幅度匹配与相位一致性的I、Q通道。DDS还能在时间与温度变化条件下提供出色的长期频率与幅度稳定性，且只有很少的参数依赖性。
DDS有如下优点：
1）频率分辨率高，输出频点多，可达N个频点(N为相位累加器位数)；
2）频率切换速度快，可达us量级；
3）频率切换时相位连续；
4）可以输出宽带正交信号；
5）输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；
6）可以产生任意波形；
本系统采用DDS芯片实现了1k～10MHz正弦信号的输出功能，并与MCU（SPCE061A精简开发板），模拟开关，模拟乘法器结合实现了调幅、调频、PSK、ASK的输出功能。在操作方面采用了全中文操作菜单方式，界面友好，操作简单，易懂。
毕业设计说明书目录
1 引言……………………………………………………………………………………1
2 方案论证………………………………………………………………………………2
2．1主控制器………………………………………………………………………2
2．1．1方案一………………………………………………………………………2
2．1．2方案二………………………………………………………………………3
2．2 正弦信号发生器……………………………………………………………………3
2．2．1方案一………………………………………………………………………3
3．2．2 方案一………………………………………………………………………3
2．3 输出电压放大………………………………………………………………………3
2．3．1方案一………………………………………………………………………3
2．3．2方案一………………………………………………………………………3
2．4 FM调频电路………………………………………………………………………3
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2．4．1 方案一………………………………………………………………………3
2．4．2 方案二 ……………………………………………………………………4
2．5 FM调频电路………………………………………………………………………4
2．5．1 方案一………………………………………………………………………4
2．5．2 方案一………………………………………………………………………4
2．6 产生二进制PSK、ASK信号………………………………………………………4
2．6．1 方案一………………………………………………………………………4
2．6．2 方案一………………………………………………………………………4
3 详细硬件设计……………………………………………………………………………4
4 软件设计………………………………………………………………………………16
4．1程序流程………………………………………………………………………17
4．2程序……………………………………………………………………………17
5软硬件系统的调试……………………………………………………………………29
6 附录……………………………………………………………………………………32
7参考文献………………………………………………………………………………34
参考文献
[1] 2003年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编，北京理工大学出版社2003.
[2] 凌阳大学计划.MINIOS用户操作手册.北京：北阳科技，2003.8.14：58～62.
[3]白振华,赵兴群,夏翎,袁帅. 基于DDS的任意波形发生器. 现代科学仪器, 2001（6）: 44-47
[4] 王永,刘志强,刘硕. DDS在任意波形发生器中的应用. 仪表技术,2001(4): 22-23.
[5] 王文钦.高质量微波信号源发生器研制.电子质量,2004(2): 12-14.