dds信號源的設(shè)計-電子技術(shù)課程設(shè)計

1、<p>　　電子技術(shù) 設(shè)計說明書</p><p>　　題目： DDS信號源的設(shè)計 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 選題背景2</b></p><p><b>　　1.1 背景2</b><

2、/p><p>　　1.2 設(shè)計任務(wù)2</p><p><b>　　2 方案論證2</b></p><p>　　2.1 可選方案2</p><p>　　2.2 方案比較3</p><p><b>　　3 設(shè)計過程3</b></p><p>　　3.

3、1 DDS的基本原理3</p><p>　　3.2 基本參數(shù)確定4</p><p>　　3.3 器件選擇4</p><p>　　4 各單元電路及其工作原理4</p><p>　　4.1頻率控制字產(chǎn)生電路4</p><p>　　4.2相位累加及鎖存電路5</p><p>　　4.3 正

4、弦函數(shù)表6</p><p>　　4.4 D/A轉(zhuǎn)換電路7</p><p>　　4.5 低通濾波電路8</p><p>　　4.6 555脈沖產(chǎn)生電路8</p><p>　　4.7 消抖電路9</p><p>　　4.8 電源濾波9</p><p><b>　　5 總原理圖

5、10</b></p><p>　　6 元器件清單11</p><p><b>　　7 結(jié)果分析11</b></p><p>　　8 存在的問題及改進(jìn)意見12</p><p><b>　　9 總結(jié)12</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)

6、14</b></p><p><b>　　選題背景</b></p><p><b>　　1.1 背景</b></p><p>　　在電子技術(shù)日新月異的形勢下，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、傳輸和處理等來不斷認(rèn)識和改造世界的。而信號作為信息的載體，是指帶有

7、信息的隨時間或其他自變量變化的物理量或物理現(xiàn)象，信號時使用極為廣泛的基本概念，無論是在自然科學(xué)領(lǐng)域，還是在社會科學(xué)領(lǐng)域都存在大量的應(yīng)用研究問題。</p><p>　　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

8、當(dāng)時的技術(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 Device,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DDS理論的進(jìn)一步探討，使得DDS

9、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，廣泛應(yīng)用于電子測量、調(diào)頻通信、電子對抗等領(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。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計一個簡單的DD

10、S正弦波信號發(fā)生器，有頻率增（UP）和頻率減（DOWN）兩個鍵，按UP時頻率步進(jìn)增加，按DOWN時頻率頻率步進(jìn)減小。具體要求如下：</p><p>　　輸出信號的頻率范圍為100Hz~1500Hz，步進(jìn)為100Hz。</p><p>　　要求輸出信號無明顯失真。</p><p><b>　　發(fā)揮部分：</b></p><p&

11、gt;　　可輸出矩形波和三角波；</p><p>　　進(jìn)一步擴(kuò)大輸出信號范圍或減小步進(jìn)頻率。</p><p><b>　　方案論證</b></p><p><b>　　2.1 可選方案</b></p><p>　　方案一：直接模擬合成法。</p><p>　　直接模擬合成法利

12、用倍頻（乘法）、分頻（除法）、混頻（加法與減法）濾波，從單一或幾個參數(shù)頻率中產(chǎn)生多個所需的頻率。該方法頻率轉(zhuǎn)換時間快（小于100ns），但是體積大、功耗大。</p><p>　　方案二：基于單片機(jī)完成設(shè)計</p><p>　　利用單片機(jī)的課編程輸出，再配以相應(yīng)的外設(shè)電路即可實現(xiàn)理想波形的輸出。</p><p><b>　　2.2 方案比較</b>

13、;</p><p>　　方案一：采用傳統(tǒng)的硬件電路組合實現(xiàn)，鍛煉學(xué)生對數(shù)模電知識的掌握能力，學(xué)以致用。但是其可靠性差、靈活性小、線路復(fù)雜。</p><p>　　方案二：采用89C51單片機(jī)為核心實現(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，對于一個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)在對單片機(jī)知識掌握的

14、不是很好。</p><p>　　考慮到這次課程設(shè)計也是對所學(xué)數(shù)模電知識及實際動手能力結(jié)合的一次考驗，且時間充足，題目要求較簡單，所以選擇方案二。</p><p><b>　　設(shè)計過程</b></p><p>　　3.1 DDS的基本原理</p><p>　　DDS的原理框圖如圖3-1所示。圖中相位累加器可在每一個時鐘周期

15、來臨時將頻率控制字（TUNING WORD）所決定的相位增量M累加一次，如果記數(shù)大于，則自動溢出，而只保留后面的N位數(shù)字于累加器中。正弦查詢表ROM用于實現(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很純凈的正弦波信號?；驹砣鐖D3-1： </p><p>　　由于相位累加器是N比特的模2加法器，正弦查詢表ROM中存儲一個周期的正弦波幅度量

16、化數(shù)據(jù)，所以頻率控制字M取最小值1時，每個2n時鐘周期輸出一個周期的正弦波。所以此時有f0=fc/2n, 式中f0為輸出信號的頻率，fc為時鐘頻率，n為累加器的位數(shù)。</p><p>　　更一般的情況，頻率控制字是m時，每2n /m個時鐘周期輸出一個周期的正弦波。所以此時有：f0=(m×fc)/ 2n,式中f0為輸出信號的頻率，fc為時鐘頻率，n為累加器的位數(shù)，m為頻率控制字。這個是DDS系統(tǒng)最基本的公

17、式之一。由此可以得出：</p><p>　　輸出信號的最小頻率（分辨率）為：f0min= fc / 2n</p><p>　　輸出信號的最大頻率為：f0max=（Mmax×fc）/ 2n </p><p>　　DAC 每信號周期輸出的最少點(diǎn)數(shù)為：K=2n / Mmax</p><p>　　當(dāng) N 比較大時，對于很大范圍內(nèi)的 M 值，

18、DDS系統(tǒng)都可以在一個周期內(nèi)輸出足夠的點(diǎn)，保證輸出波形失真很小。</p><p>　　3.2 基本參數(shù)確定</p><p>　　本次課程設(shè)計選用8位的相位寄存器，即N取8。則可以算出響應(yīng)的參數(shù)：</p><p>　　Fc= f0min×2n=100HZ×28=25.6KHZ </p><p>　　頻率控制字為從1~15&l

19、t;/p><p><b>　　3.3 器件選擇</b></p><p>　　1）需要產(chǎn)生15個不同的頻率控制字，則選用16可逆計數(shù)器74LS193</p><p>　　2）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74LS283兩片級聯(lián)成八位加法器，寄存器選用8為寄存器74HC574。</p><p>　　3）存

20、放正弦函數(shù)表采用可電擦除的E2PROM，本次選用AT29C512。</p><p>　　4）D/A轉(zhuǎn)化器采用市面常見的DAC0832。同時選用與DAC0832配合使用的運(yùn)算放大器NE5532。</p><p>　　各單元電路及其工作原理</p><p>　　4.1頻率控制字產(chǎn)生電路</p><p>　　如圖4-1，使用十六進(jìn)制可逆計數(shù)器74L

21、S193產(chǎn)生0~15的頻率控制字，預(yù)置數(shù)的四個腳（15、1、10、9腳）統(tǒng)一置低電平（接地），預(yù)置數(shù)腳（11腳）接高電平，計數(shù)增和計數(shù)減（5腳和4腳）分別接兩個按鍵，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。</p><p>　　4.2相位累加及鎖存電路</p><p>　

22、　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的時鐘控制端（11腳

23、）的頻率來控制累加的快慢。此時可以在寄存器的輸出端的各個管腳上測得不同頻率的方波。如圖4-3：</p><p><b>　　4.3 正弦函數(shù)表</b></p><p>　　存放正弦函數(shù)表的器件選擇可電擦除的E2PROM,它為存儲容量: 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個正弦函數(shù)點(diǎn)供氣查詢輸出。其他腳接低電平。如

24、圖4-5，正弦函數(shù)表為：</p><p>　　4.4 D/A轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　如圖4-6，D/A轉(zhuǎn)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。此時即可測得正弦波。如圖4-7：</p><p>　　4.5 低通濾波

25、電路</p><p>　　如圖4-8，從運(yùn)放輸出的信號中含有許多噪聲信號，根據(jù)設(shè)計要求可以采用低通濾波器來濾除輸出信號中的高頻分量。</p><p>　　4.6 555脈沖產(chǎn)生電路</p><p>　　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=0.039×10-3s</p>

26、<p>　　需要占空比為q=50%的方波，即R6=R5</p><p>　　C4=10×102pF=10-9F</p><p>　　T=T1+T2=（R5+2R6）Cln2=0.039×10-3</p><p>　　可以推得：R5=R6=（0.039×10-3）/（3×10-9×0.69）=18.8KΩ&

27、lt;/p><p><b>　　4.7 消抖電路</b></p><p>　　由于按鍵存在機(jī)械抖動，導(dǎo)致電平出現(xiàn)抖動從而使計數(shù)器的計數(shù)出現(xiàn)抖動跳變，多以需要對按鍵加上消抖電路。</p><p><b>　　4.8 電源濾波</b></p><p>　　整個電路是由直流學(xué)生電源供電，而電路本身會對電源的輸

28、出造成影響，在實際電路中的表現(xiàn)就是會使電路的輸出出現(xiàn)抖動。加上電源濾波后可以有效的改善這一點(diǎn)。</p><p><b>　　總原理圖</b></p><p><b>　　元器件清單</b></p><p><b>　　結(jié)果分析</b></p><p>　　在Proteus中的仿

29、真結(jié)果如圖7-1: </p><p>　　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。</p><p>　　當(dāng)UP鍵按下時頻率加100HZ，當(dāng)DOWN鍵按下時頻率減100HZ，復(fù)位鍵按下時頻率為0HZ。電路實測效果良好，達(dá)到設(shè)計要求。</p><p>　　存在的問題及改進(jìn)意見</p>

30、<p>　　這個設(shè)計方案原理比較簡單，元器件不太多，實現(xiàn)起來也不算太難。存在的問題就是輸出的信號不夠強(qiáng)，帶負(fù)載能力不強(qiáng)，當(dāng)在其后加上負(fù)載時，輸出特性就會發(fā)生改變。如果在后面再加上一級功率放大電路，效果可能會好一些。由于時間原因，后級的功放未能做。</p><p>　　還有一個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滯回比較器實現(xiàn)正弦波轉(zhuǎn)方波，再給后面添加一

31、個積分運(yùn)算電路即可實現(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)表即可實現(xiàn)方波和三角波的輸出。但是由于時間原因，發(fā)揮部分的電路沒有連接。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　這次的課程設(shè)計終于完成了，我從拿到題目到開始構(gòu)思方案再到整個作品的完成歷經(jīng)了兩個多月，這對于一個數(shù)電類的課程設(shè)計來說拖的時間太長了，但是我是第一

32、次完完整整的設(shè)計、焊接、調(diào)試一個電路，在此期間經(jīng)歷了一個新手應(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。</p><p>　　我拿到這個題目的時候還不知道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)備工作就用了一個周。焊接的時候，我沒有一次性全部焊完，而是焊完一個單元電路就檢測一次，由于是數(shù)電部分比較多，所以各級檢測起來都相對比較容易。一直到最后整板的完成。全部

33、焊接好了之后出現(xiàn)的問題一是抖動，二是用示波器檢測時示波器上頻率的度數(shù)不對。就這兩個問題耗了我好長時間。</p><p>　　由于剛開始焊的時候沒有焊接555電路，而是直接用信號源給的脈沖信號，引入的干擾比較大，導(dǎo)致示波器度數(shù)完全不對，自己搭建555電路產(chǎn)生脈沖信號接上后，示波器上就可以讀出數(shù)值了。這個原因我覺得和電源濾波的原理比較相似，也是由于電路對脈沖信號源的輸出造成了影響，噪聲信號一直到了最后的輸出，所以示波

34、器上檢測的可能是其他分量的頻率。剛開始我們也沒有消抖電路，整板焊完后再焊上的，但還是一直能達(dá)到理想的效果。后來決定重焊。第一次焊的時候?qū)Ь€比較亂，查線也不好查，在第二次焊的時候我走線都非常用心，布線整整齊齊。焊接好之后還是有抖動，請教老師之后果斷加上電源濾波，效果立馬就好了。至此，所遇到的大問題才算解決。</p><p>　　這個題目雖然屬于數(shù)電類，但是在消抖，濾波的地方也用到了模電知識，我的感覺就是對電容的理解

35、把握越好就越順手。電容在里面起到了至關(guān)重要的作用。</p><p>　　通過這次課程設(shè)計，再一次把我們只學(xué)課本，缺乏動手的問題暴漏了出來，實踐需要理論的指導(dǎo)，但是理論也需要實踐的鞏固，二者要兼顧。作為一名大學(xué)生，這是必備的素質(zhì)。在以后的學(xué)習(xí)中要多的去動手做一些東西，一次來提高自己的動手能力并鞏固知識。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>

36、<p>　　【1】閻石.數(shù)學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ).清華大學(xué).高等教育出版社.2006</p><p>　　【2】康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）.華中科技大學(xué). 高等教育出版社.2006 </p><p>　　【3】馬全喜.電子元器件與電子實習(xí).機(jī)械工業(yè)出版社.2006</p><p>　　【4】何杜成、袁躍進(jìn).電機(jī)-光電顯示-改進(jìn)應(yīng)用電路.山東科學(xué)技術(shù)出版社.