DDS信號(hào)源的設(shè)計(jì)-電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、PAGE PAGE 14 電子技術(shù) 設(shè)計(jì)說明書題目： DDS信號(hào)源的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 鮑 帥 學(xué) 號(hào)： 201206090209 院 （系）： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 網(wǎng)絡(luò)工程 指導(dǎo)教師： 2014年 月 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc343245123 1 選題背景 PAGEREF _Toc343245123 h 2 HYPERLINK l _Toc343245124 1.1 背景 PAGEREF _Toc343245124 h 2 HYPERLINK l _Toc343245125 1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc34324512

2、5 h 2 HYPERLINK l _Toc343245126 2 方案論證 PAGEREF _Toc343245126 h 2 HYPERLINK l _Toc343245127 2.1 可選方案 PAGEREF _Toc343245127 h 2 HYPERLINK l _Toc343245128 2.2 方案比較 PAGEREF _Toc343245128 h 3 HYPERLINK l _Toc343245129 3 設(shè)計(jì)過程 PAGEREF _Toc343245129 h 3 HYPERLINK l _Toc343245130 3.1 DDS的基本原理 PAGEREF _Toc343

3、245130 h 3 HYPERLINK l _Toc343245131 3.2 基本參數(shù)確定 PAGEREF _Toc343245131 h 4 HYPERLINK l _Toc343245132 3.3 器件選擇 PAGEREF _Toc343245132 h 4 HYPERLINK l _Toc343245133 4 各單元電路及其工作原理 PAGEREF _Toc343245133 h 4 HYPERLINK l _Toc343245134 4.1頻率控制字產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc343245134 h 4 HYPERLINK l _Toc343245135 4.2相位累加及

4、鎖存電路 PAGEREF _Toc343245135 h 5 HYPERLINK l _Toc343245136 4.3 正弦函數(shù)表 PAGEREF _Toc343245136 h 6 HYPERLINK l _Toc343245137 4.4 D/A轉(zhuǎn)換電路 PAGEREF _Toc343245137 h 7 HYPERLINK l _Toc343245138 4.5 低通濾波電路 PAGEREF _Toc343245138 h 8 HYPERLINK l _Toc343245139 4.6 555脈沖產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc343245139 h 8 HYPERLINK l _T

5、oc343245140 4.7 消抖電路 PAGEREF _Toc343245140 h 9 HYPERLINK l _Toc343245141 4.8 電源濾波 PAGEREF _Toc343245141 h 9 HYPERLINK l _Toc343245142 5 總原理圖 PAGEREF _Toc343245142 h 10 HYPERLINK l _Toc343245143 6 元器件清單 PAGEREF _Toc343245143 h 11 HYPERLINK l _Toc343245145 7 結(jié)果分析 PAGEREF _Toc343245145 h 11 HYPERLINK l

6、 _Toc343245146 8 存在的問題及改進(jìn)意見 PAGEREF _Toc343245146 h 12 HYPERLINK l _Toc343245147 9 總結(jié) PAGEREF _Toc343245147 h 12 HYPERLINK l _Toc343245148 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc343245148 h 14選題背景1.1 背景在電子技術(shù)日新月異的形勢(shì)下，信息技術(shù)隨之迅猛發(fā)展。信息是存在于客觀世界的一種事物現(xiàn)象，人們正是通過信息的獲取、存儲(chǔ)、傳輸和處理等來不斷認(rèn)識(shí)和改造世界的。而信號(hào)作為信息的載體，是指帶有信息的隨時(shí)間或其他自變量變化的物理量或物理現(xiàn)象，信號(hào)時(shí)使用

7、極為廣泛的基本概念，無論是在自然科學(xué)領(lǐng)域，還是在社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域都存在大量的應(yīng)用研究問題。直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesizer，簡稱：DDS）技術(shù)是一種新的全數(shù)字的頻率合成原理，它從相位的角度出發(fā)直接合成所需波形。這種技術(shù)由美國學(xué)者J.Tiercy,M.Rader和B.Gold于1971年首次提出，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和工藝水平，DDS技術(shù)僅僅在理論上進(jìn)行了一些探討，而沒有應(yīng)用到實(shí)際中去。近30年來，隨著超大規(guī)模集成（Very Large Scale Integration,簡稱：VLSI）、復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic D

8、evice,簡稱：CPLD）、現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，簡稱：FPGA）等技術(shù)的出現(xiàn)以及對(duì)DDS理論的進(jìn)一步探討，使得DDS得到了飛速的發(fā)展。由于其具有頻率轉(zhuǎn)換快、分辨率高、頻率合成范圍寬、相位噪聲低且相位可控制的優(yōu)點(diǎn)，因此，DDS技術(shù)常用于產(chǎn)生頻率快、轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高、相位可控的信號(hào)，廣泛應(yīng)用于電子測量、調(diào)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域。近年來，已有DDS技術(shù)的波形發(fā)生器陸續(xù)被研制、生產(chǎn)和投入應(yīng)用。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的DDS正弦波信號(hào)發(fā)生器，有頻率增（UP）和頻率減（DOWN）兩個(gè)鍵，按UP時(shí)頻率步進(jìn)增加，按DOWN時(shí)頻率頻率步進(jìn)減小

9、。具體要求如下：輸出信號(hào)的頻率范圍為100Hz1500Hz，步進(jìn)為100Hz。要求輸出信號(hào)無明顯失真。發(fā)揮部分：可輸出矩形波和三角波；進(jìn)一步擴(kuò)大輸出信號(hào)范圍或減小步進(jìn)頻率。方案論證2.1 可選方案方案一：直接模擬合成法。直接模擬合成法利用倍頻（乘法）、分頻（除法）、混頻（加法與減法）濾波，從單一或幾個(gè)參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個(gè)所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快（小于100ns），但是體積大、功耗大。方案二：基于單片機(jī)完成設(shè)計(jì)利用單片機(jī)的課編程輸出，再配以相應(yīng)的外設(shè)電路即可實(shí)現(xiàn)理想波形的輸出。2.2 方案比較方案一：采用傳統(tǒng)的硬件電路組合實(shí)現(xiàn)，鍛煉學(xué)生對(duì)數(shù)模電知識(shí)的掌握能力，學(xué)以致用。但是其可靠性差、靈活

10、性小、線路復(fù)雜。方案二：采用89C51單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)處理速度使DDS的頻率范圍非常有限，加上單片機(jī)本身端口較少，對(duì)于一個(gè)外部頻率選擇鍵盤輸入、ROM地址查表輸出以及LED數(shù)碼管顯示的系統(tǒng)來說，端口資源變得非常緊張。且現(xiàn)在對(duì)單片機(jī)知識(shí)掌握的不是很好?？紤]到這次課程設(shè)計(jì)也是對(duì)所學(xué)數(shù)模電知識(shí)及實(shí)際動(dòng)手能力結(jié)合的一次考驗(yàn)，且時(shí)間充足，題目要求較簡單，所以選擇方案二。設(shè)計(jì)過程3.1 DDS的基本原理DDS的原理框圖如圖3-1所示。圖中相位累加器可在每一個(gè)時(shí)鐘周期來臨時(shí)將頻率控制字（TUNING WORD）所決定的相位增量M累加一次，如果記數(shù)大于，則自動(dòng)溢出，而只保留后面的N位數(shù)字于累加器中。正

11、弦查詢表ROM用于實(shí)現(xiàn)從相位累加器輸出的相位值到正弦幅度值的轉(zhuǎn)換，然后送到DAC中將正弦幅度值的數(shù)字量轉(zhuǎn)變?yōu)槟M量，最后通過濾波器輸出一個(gè)很純凈的正弦波信號(hào)?；驹砣鐖D3-1： 頻率控制字相位寄存器正弦查詢表DACLPF時(shí)鐘fc圖 3-1 DDS基本原理圖 由于相位累加器是N比特的模2加法器，正弦查詢表ROM中存儲(chǔ)一個(gè)周期的正弦波幅度量化數(shù)據(jù)，所以頻率控制字M取最小值1時(shí)，每個(gè)2n時(shí)鐘周期輸出一個(gè)周期的正弦波。所以此時(shí)有f0=fc/2n, 式中f0為輸出信號(hào)的頻率，fc為時(shí)鐘頻率，n為累加器的位數(shù)。更一般的情況，頻率控制字是m時(shí)，每2n /m個(gè)時(shí)鐘周期輸出一個(gè)周期的正弦波。所以此時(shí)有：f0=

12、(mfc)/ 2n,式中f0為輸出信號(hào)的頻率，fc為時(shí)鐘頻率，n為累加器的位數(shù)，m為頻率控制字。這個(gè)是DDS系統(tǒng)最基本的公式之一。由此可以得出：輸出信號(hào)的最小頻率（分辨率）為：f0min= fc / 2n輸出信號(hào)的最大頻率為：f0max=（Mmaxfc）/ 2n DAC 每信號(hào)周期輸出的最少點(diǎn)數(shù)為：K=2n / Mmax當(dāng) N 比較大時(shí)，對(duì)于很大范圍內(nèi)的 M 值，DDS系統(tǒng)都可以在一個(gè)周期內(nèi)輸出足夠的點(diǎn)，保證輸出波形失真很小。3.2 基本參數(shù)確定本次課程設(shè)計(jì)選用8位的相位寄存器，即N取8。則可以算出響應(yīng)的參數(shù)：Fc= f0min2n=100HZ28=25.6KHZ 頻率控制字為從1153.3

13、器件選擇1）需要產(chǎn)生15個(gè)不同的頻率控制字，則選用16可逆計(jì)數(shù)器74LS1932）相位累加器采用加法器與寄存器結(jié)合的方式，選用市面常用的74LS283兩片級(jí)聯(lián)成八位加法器，寄存器選用8為寄存器74HC574。3）存放正弦函數(shù)表采用可電擦除的E2PROM，本次選用AT29C512。4）D/A轉(zhuǎn)化器采用市面常見的DAC0832。同時(shí)選用與DAC0832配合使用的運(yùn)算放大器NE5532。各單元電路及其工作原理4.1頻率控制字產(chǎn)生電路圖4-1 計(jì)數(shù)電路如圖4-1，使用十六進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器74LS193產(chǎn)生015的頻率控制字，預(yù)置數(shù)的四個(gè)腳（15、1、10、9腳）統(tǒng)一置低電平（接地），預(yù)置數(shù)腳（11腳）接

14、高電平，計(jì)數(shù)增和計(jì)數(shù)減（5腳和4腳）分別接兩個(gè)按鍵，復(fù)位端（14腳）接如圖復(fù)位電路，輸出端（3、2、6、7腳）接到下一級(jí)電路，進(jìn)位和借位端（12腳和13腳）不接。此電路可以通過按鍵來使輸出端產(chǎn)生想要的頻率關(guān)鍵字。4.2相位累加及鎖存電路圖4-2 相位累加電路如圖4-2，此電路中的74LS283為四位二進(jìn)制超前進(jìn)位全加器，不能滿足設(shè)計(jì)要求，可以通過兩片組合成八位加法器，如圖把U2的進(jìn)位端輸出（9腳）接到U3的進(jìn)位輸入端（7腳）即可。U2的A輸入端接上級(jí)電路的四位輸出，U3的A輸入端接低電平。兩片分別四位輸出組合成八位輸出接到八位寄存器74LS574的輸入端，再從寄存器的八位輸出端反接回來到U2和

15、U3的B輸入端，這樣就形成了相位累加的過程，其中可以通過寄存器74LS574的時(shí)鐘控制端（11腳）的頻率來控制累加的快慢。此時(shí)可以在寄存器的輸出端的各個(gè)管腳上測得不同頻率的方波。如圖4-3：Q0輸出Q1輸出Q2輸出Q3輸出圖4-3 鎖存器第四位輸出波形4.3 正弦函數(shù)表圖4-4 E2PROM存放正弦函數(shù)表的器件選擇可電擦除的E2PROM,它為存儲(chǔ)容量: 512 KB。其接線如圖4-4，共十六位輸入，去其低八位作為相位尋址線，共給片內(nèi)寫入256個(gè)正弦函數(shù)點(diǎn)供氣查詢輸出。其他腳接低電平。如圖4-5，正弦函數(shù)表為：圖4-5 正弦函數(shù)表4.4 D/A轉(zhuǎn)換電路圖4-6 D/A轉(zhuǎn)換電路如圖4-6，D/A轉(zhuǎn)

16、換選擇的是通用的DAC0832，并采用其經(jīng)典接法與運(yùn)放相接，其中八位數(shù)字量輸入端接上級(jí)E2PROM的八位輸出，IOUT1和IOUT2接運(yùn)算放大器將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，最終從運(yùn)放的1腳輸出。此時(shí)即可測得正弦波。如圖4-7：圖4-7 輸出波形4.5 低通濾波電路圖4-8 濾波電路如圖4-8，從運(yùn)放輸出的信號(hào)中含有許多噪聲信號(hào)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以采用低通濾波器來濾除輸出信號(hào)中的高頻分量。4.6 555脈沖產(chǎn)生電路圖4-9 555電路電路中給定C4用陶瓷電容102，C5用陶瓷電容103，需要的輸出方波的頻率為f=25.6KHZ,則：T=1/f=0.03910-3s需要占空比為q=50%的方波，即R6=R

17、5C4=10102pF=10-9FT=T1+T2=（R5+2R6）Cln2=0.03910-3可以推得：R5=R6=（0.03910-3）/（310-90.69）=18.8K4.7 消抖電路圖4-10 按鍵消抖電路由于按鍵存在機(jī)械抖動(dòng)，導(dǎo)致電平出現(xiàn)抖動(dòng)從而使計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)出現(xiàn)抖動(dòng)跳變，多以需要對(duì)按鍵加上消抖電路。4.8 電源濾波圖4-11 電源濾波電路整個(gè)電路是由直流學(xué)生電源供電，而電路本身會(huì)對(duì)電源的輸出造成影響，在實(shí)際電路中的表現(xiàn)就是會(huì)使電路的輸出出現(xiàn)抖動(dòng)。加上電源濾波后可以有效的改善這一點(diǎn)?？傇韴D圖4-12 總原理圖元器件清單元件名稱型號(hào)數(shù)量備注觸發(fā)器74LS141個(gè)計(jì)數(shù)器74LS1931

18、個(gè)加法器74LS2832個(gè)鎖存器74HC5741個(gè)E2PROMAT29C5121個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器DAC08321個(gè)運(yùn)算放大器NE55321個(gè)555模塊NE5551個(gè)普通電阻10K2個(gè)普通電阻1K1個(gè)普通電阻200歐2個(gè)電位器20K2個(gè)點(diǎn)位器10K1個(gè)陶瓷電容1036個(gè)電解電容10uF2個(gè)陶瓷電容1021個(gè)按鍵3個(gè)底座DIP-82個(gè)DIP-164個(gè)DIP-202個(gè)DIP-321個(gè)導(dǎo)線1mm若干表6-1 元件清單結(jié)果分析圖7-1 輸出波形在Proteus中的仿真結(jié)果如圖7-1: 可以通過按鍵調(diào)整輸出正弦波的頻率，可以從100HZ到1500HZ之間的調(diào)整，步進(jìn)為100，幅度可在2.5V到3V。當(dāng)UP鍵

19、按下時(shí)頻率加100HZ，當(dāng)DOWN鍵按下時(shí)頻率減100HZ，復(fù)位鍵按下時(shí)頻率為0HZ。電路實(shí)測效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。存在的問題及改進(jìn)意見這個(gè)設(shè)計(jì)方案原理比較簡單，元器件不太多，實(shí)現(xiàn)起來也不算太難。存在的問題就是輸出的信號(hào)不夠強(qiáng)，帶負(fù)載能力不強(qiáng)，當(dāng)在其后加上負(fù)載時(shí)，輸出特性就會(huì)發(fā)生改變。如果在后面再加上一級(jí)功率放大電路，效果可能會(huì)好一些。由于時(shí)間原因，后級(jí)的功放未能做。還有一個(gè)問題就是還可以再繼續(xù)完成發(fā)揮部分的題目要求，即輸出方波和三角波。理論上可以通過增加一個(gè)滯回比較器實(shí)現(xiàn)正弦波轉(zhuǎn)方波，再給后面添加一個(gè)積分運(yùn)算電路即可實(shí)現(xiàn)方波再轉(zhuǎn)三角波。當(dāng)然也可以選擇在E2PROM中存入方波和三角波的函數(shù)表

20、即可實(shí)現(xiàn)方波和三角波的輸出。但是由于時(shí)間原因，發(fā)揮部分的電路沒有連接。總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)終于完成了，我從拿到題目到開始構(gòu)思方案再到整個(gè)作品的完成歷經(jīng)了兩個(gè)多月，這對(duì)于一個(gè)數(shù)電類的課程設(shè)計(jì)來說拖的時(shí)間太長了，但是我是第一次完完整整的設(shè)計(jì)、焊接、調(diào)試一個(gè)電路，在此期間經(jīng)歷了一個(gè)新手應(yīng)該經(jīng)歷的大部分問題，并順利解決了問題?？偟膩碚f還是收獲不少。我拿到這個(gè)題目的時(shí)候還不知道DDS為何物，上網(wǎng)查了一下了解其基本原理后才開始查資料，整理方案。這些前期的準(zhǔn)備工作就用了一個(gè)周。焊接的時(shí)候，我沒有一次性全部焊完，而是焊完一個(gè)單元電路就檢測一次，由于是數(shù)電部分比較多，所以各級(jí)檢測起來都相對(duì)比較容易。一直到最后整板的完成。全部焊接好了之后出現(xiàn)的問題一是抖動(dòng)，二是用示波器檢測時(shí)示波器上頻率的度數(shù)不對(duì)。就這兩個(gè)問題耗了我好長時(shí)間。由于剛開始焊的時(shí)候沒有焊接555電路，而是直