基于DDS的多波形發(fā)生器研究與設計畢業(yè)開題報告

1、 畢業(yè)設計(論文)開題報告題 目： 基于DDS的多波形發(fā)生器研究與設計 學 院： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導老師： 2015年03 月 10日開題報告填寫要求1開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效。2開題報告內容必須用黑墨水筆工整書寫或按此電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見。3“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內，學生寫文

2、獻綜述的參考文獻應不少于10篇（不包括辭典、手冊），其中至少應包括1篇外文資料；對于重要的參考文獻應附原件復印件，作為附件裝訂在開題報告的最后。4統(tǒng)一用A4紙，并裝訂單獨成冊，隨畢業(yè)設計（論文）說明書等資料裝入文件袋中。 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告1文獻綜述：結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據所查閱的文獻資料，每人撰寫2500字以上的文獻綜述，文后應列出所查閱的文獻資料。文 獻 綜 述1. 課題研究的背景及其意義常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構成的，但這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數(shù)準確度難以保證，并且體積和功耗都很大。隨著微電子技術的迅速

3、發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS或DDFS）得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術中的姣姣者。具體體現(xiàn)在相對帶寬寬、頻率轉換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產生寬帶正交信號及其他多種調制信號、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價比。函數(shù)信號發(fā)生是各種測試和實驗過程中不可缺少的工具，在通訊、測量、雷達、控制、教學等領域應用十分廣泛。不論在生產、科研還是教學上，信號發(fā)生器都是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。 二.直接頻率合成技術的現(xiàn)狀和應用DDS是一種采樣數(shù)據

4、系統(tǒng)，因此必須考慮所有與采樣相關的問題，包括量化噪聲、混疊、濾波等。例如，DAC輸出頻率的高階諧波會折回奈奎斯特帶寬，因而不可濾波，而基于PLL的合成器的高階諧波則可以濾波。隨著科學技術的日益發(fā)展這種頻率合成方法也越來越體現(xiàn)出它的優(yōu)越性來。DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成方法。DDS頻率合成器主要由頻率寄存器、相位累加器、波形ROM，、DA轉換器和低通濾波器組成。在系統(tǒng)時鐘一定的情況下。輸出頻率決定于頻率寄存器的中的頻率字。而相位累加器的字長決定了分辨率?；谶@樣的結構DDS頻率合成器具有以下優(yōu)點：(1)頻率分辨率高，輸出頻點多，可達2“個頻點(假設DDS相位累加器的字長是N；(2)頻率切換速度

5、快，可達瑚量級；(3)頻率切換時相位連續(xù)：(4)可以輸出寬帶正交信號；(5)輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；(6)可以產生任意波形；(7)全數(shù)字化實現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。直接數(shù)字頻率合成器DDS(Derect Digital Synthesizer)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術。一個直接數(shù)字頻率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存儲 ROM、DA 轉換器和低通濾波器(LPF) 組成。DDS的組成結構如圖1 所示。其中，K 為頻率控制字( 也叫相位增量) ，P 為相位控制字，W 為波形控制字，fc 為參考時鐘頻率，N 為相位累加器的字長，D 為R

6、OM數(shù)據位及DA 轉換器的字長。相位累加器在時鐘fc 的控制下以步長K 累加，輸出的N 位二進制碼與相位控制字P、波形控制字W 相加后作為波形 ROM的地址來對波形ROM進行尋址，波形ROM輸出的D 位幅度碼S(n) 經DA 轉換變成階梯波S(t)后，再經過低通濾波器平滑，就可以得到合成的信號波形。由于合成的信號波形取決于波形ROM中存放的幅度碼，因此，用DDS可以合成任意波形。如下是DDS的基本結構：圖1 DDS的組成結構波形隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能

7、化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自和智能化方向發(fā)展。但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實際應用的需求。加之各類功能的半導體集成芯片的快動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便的構成自動測試系統(tǒng)。在科學研究和生產實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學，地震模擬機械振動等領域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的RC很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電

8、路復雜程度會大大增加。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實現(xiàn)的信號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比，其波形質量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標，都有了很大的提高。 當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化速生產，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產生多種波形并具有程控等低頻的信號發(fā)生器成為可能。在 70 年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形，產生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模

9、擬電子技術，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產生較為復雜的信號波形，則電路結構非常復雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調節(jié)，因此很難將頻率調到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調節(jié)。在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴大，產生更加復雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對 DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A任

10、意波形數(shù)字化和 HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實際上也只能產生8 種波形，而且價格昂貴。不久以后Analogic公司推出了型號為 Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生產的型號為9100 的任意波形發(fā)生器等。 到了二十一世紀，隨著集成電路技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過1GHz 的DDS 芯片，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003 年，Agilent的產品 33220A能夠產生 17種波形，最高頻率可達到20MHz，2005年的產品N6030A能夠產生高達 500MHz的頻率，采樣的頻率可達 1.25GHz。由上面的產品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很

11、快近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1）過去由于頻率很低應用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應用于越來越廣的領域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數(shù)學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學表達式產生。從而促進了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic ,Visu

12、al C 等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。（2）與VXI資源結合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領域需要使用VXI系統(tǒng)測量產生復雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領域。在民用方面，VXI模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。（3）隨著信息技術蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀

13、器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產品減少了一半。早在 1978 年，由美國 Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為 5MHz ，可以形成 256 點(存儲長度)波形數(shù)據，垂直分辨率為8bit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領域的第一代高性能信號源，經過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產設備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越

14、好。以下給出了幾種波形發(fā)生器的性能指標，從中可以看出當今世界上重要電子儀器生產商在波形發(fā)生器上的研制水平。從中不難看出，經過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產設備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強。信號發(fā)生器既可以構成獨立的信號源，也可以是高性能網絡分析儀,頻譜儀及其它部分自動測試設備的組成部分，因為它能夠提供高質量的精密信號源及掃頻源，可使用相應系統(tǒng)的檢測過程大大簡化，降低檢測費用并極大地提高檢測精度。美國安捷倫生產的33250A型函數(shù)/任意波形發(fā)生器可以產生穩(wěn)定、精度和低失真的任意波形，其輸出頻率范圍為1uHz80M

15、Hz而輸出幅度為10mVpp10Vpp,該公司生產的8648D射頻信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍更可高達9kHz4GHz。國產SGI1060數(shù)字合成信號發(fā)生器能雙通道同時輸出高分頻率、高精度、高可靠性的各種波形，頻率覆蓋1uHz60MHz；國產SI000型數(shù)字合成掃頻信號發(fā)生器通過采用新技術、新器件實現(xiàn)高精度、寬頻帶的掃頻源，同時應用DDS和鎖相技術，使頻率范圍從1uHz1024MHz能精確到分辨率到100Hz，它既是一臺高精度的掃頻源，同時也是一臺高精度的標準型號發(fā)生器。還有很多其它類型的信號發(fā)生器，他們各有各的優(yōu)點，但是信號發(fā)生器總的趨勢將向著寬頻率覆蓋、高頻率精度、多功能、多用途、自動化和智能

16、化方向發(fā)展。就目前國內的成熟產品來看,我國目前在波形發(fā)生器的種類和性能差距正在逐漸地縮小。波形發(fā)生器的設計方案多種多樣，大致可以分為三大類：純硬件設計法、純軟件設計法和軟硬件結合設計法。方案一：波形發(fā)生器設計的純硬件法早期，波形發(fā)生器的設計主要是采用運算放大器加分立元件來實現(xiàn)。實現(xiàn)的波形比較單一，主要為正弦波、方波和三角波。工作原理嗍也相對簡單：首先是產生正弦波，然后通過波形變換(正弦波通過比較器產生方波，方波經過積分器變?yōu)槿遣?實現(xiàn)方波和三角波。在各種波形后加上一級放大電路，可以使輸出波形的幅度達到要求，通過開關電路實現(xiàn)不同輸出波形的切換，改變電路的具體參數(shù)可以實現(xiàn)頻率、幅度和占空比的改變

17、。通過對電路結構的優(yōu)化及所用元器件的嚴格選取可以提高電路的頻率穩(wěn)定性和準確度。純硬件法中，正弦波的設計是基礎，實現(xiàn)方法也比較多，電路形式一般有LC、RC和石英晶體振蕩器三類。LC振蕩器適宜于產生幾Hz至幾百MHz的高頻信號；石英晶體振蕩器能產生幾百kHz至幾十MHz的高頻信號且穩(wěn)定度高；對于頻率低于幾MHz，特別是在幾百Hz時，常采用RC振蕩電路。RC振蕩電路又分為文氏橋振蕩電路、雙T網絡式和移相式振蕩電路等類型。其中，以文氏橋振蕩電路最為常用。目前，實現(xiàn)波形發(fā)生器最簡單的方法是采用單片集成的函數(shù)信號發(fā)生器。它是將產生各種波形的功能電路集成優(yōu)化到一個集成電路芯片里，外加少量的電阻、電容元件來實

18、現(xiàn)。采用這種方法的突出優(yōu)勢是電路簡單，實現(xiàn)方便，精度高，性能優(yōu)越；缺點是功能較全的集成芯片價格較貴。實際中應用較多的單片函數(shù)信號發(fā)生器有MAX038(最高頻率可達40MHz)和ICL8038(最高頻率為300kHz)。方案二：波形發(fā)生器的設計還可以采用純軟件的方法來實現(xiàn)。虛擬儀器促使傳統(tǒng)儀器發(fā)生了革命性的變化，是21世紀測試儀器領域技術發(fā)展的重要方向。它以計算機為基礎，軟件為核心，沒有傳統(tǒng)儀器那樣具體的物理結構在計算機上實現(xiàn)儀器的虛擬面板，通過軟件設計實現(xiàn)和改變儀器的功能。例如用圖形化編程工具LabVIEW來實現(xiàn)任意波形發(fā)生器的功能：在LabVIEW軟件的前面板通過拖放控件，設計儀器的功能面板

19、(如波形顯示窗口，波形選擇按鍵，波形存儲回放等工作界面)，在軟件的后面板直接拖放相應的波形函數(shù)并進行參數(shù)設置或直接調用編程函數(shù)來設計任意波形以實現(xiàn)波形產生功能；完成的軟件打包后，可脫離編程環(huán)境獨立運行。實現(xiàn)任意波形發(fā)生器的功能。采用純軟件的虛擬儀器設計思路可以使設計簡單、高效，僅改變軟件程序就可以輕松實現(xiàn)波形功能的改變或升級。從長遠角度來看，純軟件法成本較低。軟件法的缺點是波形的響應速度和精度遜色于硬件法。方案三：軟硬件結合法軟硬件結合的波形發(fā)生器設計方法同時兼具軟硬件設計的優(yōu)勢：既具有純硬件設計的快速、高性能，同時又具有軟件控制的靈活性、智能性。如以單片機和單片集成函數(shù)發(fā)生器為核心。輔以鍵盤

20、控制、液晶顯示等電路，設計出智能型函數(shù)波形發(fā)生器，采用軟硬件結合的方法可以實現(xiàn)功能較全、性能更優(yōu)的波形發(fā)生器，同時還可以擴展波形發(fā)生器的功能，比如通過軟件編程控制實現(xiàn)波形的存儲、運算、打印等功能，采用USB接口設計，使波形發(fā)生器具有遠程通信功能等。目前，實驗、科研和工業(yè)生產中使用的信號源大多采用此方法來實現(xiàn)。綜合考慮，純硬件設計法功能較單一，波形改變困難、控制的靈活性不夠，不具備智能性，其中由運算放大器加分立元件組成的波形發(fā)生器，除在學生實驗訓練中使用外，基本不被采用。純軟件設計法實現(xiàn)簡單，程序改變及功能升級靈活，但實現(xiàn)的波形精度及響應速度不如硬件法高。純軟件法主要適用于對波形精度、響應速度要

21、求不是很高的場合。相比之下，軟硬件結合的方法可以設計出性能最優(yōu)、功能擴展靈活、控制智能化的新一代的波形發(fā)生器，可以滿足教學、科研、工業(yè)生產等各方面對波形發(fā)生器性能有較高要求的應用場合。本文提出的采用DDS作為信號發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器設計方案，根據輸出信號波形類型可設置、輸出信號幅度和頻率可數(shù)控、輸出頻率寬等要求，選用了美國AD 公司的AD9850 芯片，并通過單片機程序控制和處理AD9850 的32位頻率控制字，再經放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網絡，從而實現(xiàn)了信號幅度、頻率、類型以及輸出等選項的全數(shù)字控制。AD9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查

22、詢表，查詢表的輸出再被截斷成10位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個互補的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻RSET調節(jié)，調節(jié)關系位ISET=32（1.148V/RSET）,RSET的典型值是3.9k。將DAC的輸出經低通濾波后接到AD9850內部的高速比較器上即可直接輸出一個抖動很小的方波。其系統(tǒng)功能如圖2所示。圖2 內部構造圖AD9850在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之間后就可產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經內部的高速比較器轉換為方波輸出。在125MHz的時鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出頻率達到0.03Hz；并具有

23、5位相位控制位，而且允許相位按增量值進行調整。三、參考文獻1 2001年全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編，北京理工大學出版社2001. 2 何立民、單片機系列教程原理與應用M北京：北京航空航天大學出版社，1999 3 劉國榮單片機原理及接口技術M北京：北京航天航空大學出版社，1994 4 康華光電子技術基礎M北京：高等教育出版社，1998. 5 周航慈,等.單片機程序設計基礎M. 北京:航空航天大學出版社,1999. 6 張玉興. DDS高穩(wěn)高純頻譜頻率源技術J. 系統(tǒng)工程與電子技術. 1997（2）24-287 鄭寶輝. 直接數(shù)字頻率合成器相位截斷誤差分析J. 無線電工程.1998（6）1

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25、output direct digital synthesis，IEEE Proc，SOth AFCS，1996，95l95913 朱立蜂，正確理解任意波形發(fā)生器的技術指標，國外電子測量技術，1996(4)，272914 李維提，郭強，液晶顯示應用技術，電子工業(yè)出版社，2000年3月第一版15 朱立蜂，正確理解任意波形發(fā)生器的技術指標，國外電子測量技術，1996(4)，272916 任意波形發(fā)生器可用性增強，微電子測試，1997(12)，20-2117 方坤鵬，直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的頻譜分析，電信快報，2000（3)，3234 畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告開題報告：一、課題的

26、目的與意義；二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望；三、課題主要內容和要求；四、研究方法、步驟和措施 開 題 報 告一、課題的目的與意義 通過本課題的研究，學生可以了解簡單電子設備的設計方法和控制方法，提高學生的實際動手能力。進一步掌握模擬電子技術的理論知識，培養(yǎng)工程設計能力和綜合分析問題、解決問題的能力,基本掌握常用電子電路的一般設計方法，提高電子電路的設計和實驗能力。二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機及其他測量儀器一起方便的構成自動測試系統(tǒng)。當前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率、精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展。在科學研究、工程教育及生產實踐中，如工業(yè)過程控制、教學實驗、機械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學等領域，常常需要用到低頻信號發(fā)生器。而在我們日常生活中，以及一