毕业论文(设计) 基于DDS的正弦波信号发生器设计
第一章 概 述
? 1.1引言
信号源作为一种信号产生的装置已经越来越受到人们的重视，它可以根据用户的要求，产生自己需要的波形，具有重复性好，实时性强等优点，已经逐步取代了传统的函数发生器。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DDS(Direct Digital Synthesis) ,他是将先进的数字信号处理理论与方法导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。本课题的目的就是依据DDS原理设计开发出一个能产生正弦波，且能产生幅度调制（AM）信号电路，产生模拟调制（FM）信号电路，产生二进制PSK，ASK信号电路。
? 1.2 研究课题发展背景与过程
DDS(Direct Digital Synthesis) 的概念首先由美国学者J . Tierncy ,C. M. Rader和B. Gold提出,它以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的合成原理。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，故未受到重视。近一年间，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。
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。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、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。
随着微电子技术的飞速发展，目前高超性能优良的DDS 产品不断推出，主要
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有Qualcomm、AD、Sciteg 和Stanford 等公司单片电路（monolithic）。Qualcomm公司推出了DDS 系列Q2220、Q2230、Q2334、Q2240、Q2368，其中Q2368 的时钟频率为130MHz，分辨率为0.03Hz，杂散控制为-76dB，变频时间为0.1μs;美国AD 公司也相继推出了他们的DDS 系列：AD9850、AD9851、可以实现线性调频的AD9852、两路正交输出的AD9854以及以DDS为核心的QPSK调制器AD9853、数字上变频器AD9856 和AD9857。AD公司的DDS系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。
? 1.3基于DDS的正弦波信号发生器简
本课题设计一个正弦信号发生器，使用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为中央控制器，结合DDS芯片AD9850，产生1kHz～2MHz频率可调的正弦信号,正弦信号频率设定值可断电保存；使用宽频放大技术，在50Ω负载电阻上使1kHz～2MHz范围内的正弦信号输出电压幅度 =6V±1V；产生载波频率可设定的FM和AM信号；调制信号为1KHz的正弦波，调制信号的产生采用DDS技术，由CPLD和Flash ROM加上DAC进行直接数字合成；二进制基带序列码由CPLD产生，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.
? 1.4 课题研究内容
本课题主要对DDS正弦波信号发生器进行研究和设计，具体来说，包括以下内容：
1) 对DDS正弦波信号发生器的设计原理进行研究与设计，并选择最佳设计方案。 2) 对DDS正弦信号发生器的硬件部分进行研究与设计，用protel绘制电路原
理图并调试各模块电路。
3) 对DDS正弦波信号发生器的软件部分进行研究与设计，完成具体程序编辑，
调试与测试。
4) 对DDS正弦波信号发生器整体进行调试与测试。 ? 1.5 课题研究意义
本课题研究有利于整个通信技术的发展，并在日常无线通信中有着重要的意义。
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第二章 方案论证
根据题目要求，本系统主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、输出电压放大模块、FM调频电路模块、AM调幅电路模块和人机界面模块构成。如图 2-1。
人机界面模块输出电压放大模块 FM调频电路模块主控制器模块正弦信号发生模块AM调幅电路模块产生二进制PSK,ASK信号 图2-1 系统模块框图
? 2.1主控制器
方案一：采用通用的51单片机AT89S52作为主控制器，完成数据处理，DDS的频率输出控制，键盘的扫描及液晶显示器的显示控制等。由于51单片机内部的RAM和ROM都比较小，考虑到实现本系统需要大量的数据处理及液晶显示需占用大量的ROM资源等，用51单片机实现本系统就需外扩RAM和ROM，实现起来比较麻烦。而且本系统需要用A/D转换器采样调制信号实现调频信号的输出，使用51单片机就需外扩一片A/D转换芯片，实现也比较麻烦。而且基于整个系统的速度要求，51单片机也不能满足要求。
方案二：采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器。由于SPCE061A内置有2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及液晶显示所需数据的存储要求CPU时钟频率高达49.152MHz，能满足速度要求；集成有7通道10位电压模数转换器ADC，可以满足系统采样调制信号的要求；一片凌阳SPCE061A单片机就可以完成整个系统的主要功能，基本不需要扩展其他器件，不仅体积小而
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且可靠性高。而且凌阳单片机具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，实现整个系统更加简单。
基于此，本系统采用方案二，利用凌阳的16位单片机SPCE061A作为主控制器。
? 2.2正弦信号产生
方案一：采用反馈型LC振荡原理，选择合适的电容、电感就能产生相应的正弦信号。此方案器件比较简单，但是难以达到高精度的程控调节，而且稳定度不高，故不采用。
方案二：采用DDS技术的基本原理。DDS技术是基于 Nyquist采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中（查找表），通过CPLD或者FPGA进行寻址查表输出波形的数据，再经D/A 转换滤波即可恢复原波形。根据 Nyquist 采样定理知，要使信号能够恢复，必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的2倍，否则将产生混叠，经D/A 不能恢复原信号。此方案产生的波形比较稳定，在高频输出时会产生失真，而且电路比较复杂，故不采用。
方案三：直接采用DDS集成芯片。AD9850是AD公司生产的DDS芯片，带并行和串行加载方式，AD9850 内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。
由于DDS集成芯片能达到要求，而且节省硬件电路，程控调节能够方便实现，本设计采用方案三，作为1K～10MHz正弦信号发生。
? 2.3输出电压放大
方案一：采用高频三极管做功率放大。选择恰当的电阻和电容来实现符合题目要求的放大倍数。但是使用三极管放大时，信号放大的稳定性不高，很难满足题目的要求。故不采用。
方案二：采用宽频运算放大器做前级电压放大，AD8056可以达到300M的带宽，而且频率稳定性好。在后级加上互补对称的推挽式输出电路做电流放大作用。
所以在本设计中采用了方案二。
? 2.4 FM调频电路
方案一：使用变容二极管直接调频。变容二极管是根据PN结的结电容随反向
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电压改变而变化的原理设计的一种二极管。加反向偏压时，变容二极管呈现一个较大的结电容。变容二极管要并接在产生中心频率振荡的选频网络的两端，并加上调制信号，使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变，从而达到调频作用。但是本方案会使电路产生的频偏不稳定，容易产生中心频率偏移。
方案二：采用锁相环进行调制，采用锁相环路调频，能够达到中心频率高度稳定的调频信号。由于锁相环能跟踪并锁定中心频率。从而使中心频率有足够高的稳定度。而调制信号就加在VCO（压控振荡器）的输入端，从而使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变。如图2-2。本方案比较直观，而且中心频率和频偏都比较准确，但是电路复杂，故不采用。
环环环环 环环环环环环环环环环VCOFM环环
图2-2 锁相环框图
方案三：凌阳的单片机芯片SPCE061A内部集成有10位ADC。可先将调制信号离散化，当采集完一个周期（1ms）的数据后，计算出每相邻两个抽样点的偏移量，这样就可以根据偏移量控制改变DDS的输出频率，从而达到调频效果，而且硬件设计简单[4]。
本设计使用方案三。
? 2.5 AM调幅电路
方案一：采用单二极管开关状态调幅电路,使二极管近似处于一种理想的开关状态下,在两个不同频率电压作用下进行频率交换。
方案二：采用二极管平衡调幅电路,它是利用二极管的开关状态和平衡抵消的措施,经调幅后通过带通滤波器就可以得到调幅信号。前面两种方案电路实现比较复杂,而且由于采用分立元件，稳定性比较差，调试困难。
方案三：采用模拟乘法器调幅电路，它是一种完成两个模拟信号相乘作用的电
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