DDS信號源的設(shè)計-電子技術(shù)課程設(shè)計

PAGEPAGE5電子技術(shù)設(shè)計說明書題目：DDS信號源的設(shè)計(A)學(xué)生姓名：宋棟棟學(xué)號：201006020123院（系）：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：陳曉莉2012年目錄1選題背景 21.1背景 21.2設(shè)計任務(wù) 22方案論證 22.1可選方案 22.2方案比較 33設(shè)計過程 33.1DDS的基本原理 33.2基本參數(shù)確定 43.3器件選擇 44各單元電路及其工作原理 44.1頻率控制字產(chǎn)生電路 44.2相位累加及鎖存電路 54.3正弦函數(shù)表 64.4D/A轉(zhuǎn)換電路 74.5低通濾波電路 84.6555脈沖產(chǎn)生電路 84.7消抖電路 94.8電源濾波 95總原理圖 106元器件清單 117結(jié)果分析 118存在的問題及改進意見 129總結(jié) 12參考文獻 14選題背景1.1背景在電子技術(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識和改造世界的。而信號作為信息的載體，是指帶有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。直接數(shù)字頻率合成（DirectDigitalSynthesizer，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)時的技術(shù)和工藝水平，DDS技術(shù)僅僅在理論上進行了一些探討，而沒有應(yīng)用到實際中去。近30年來，隨著超大規(guī)模集成（VeryLargeScaleIntegration,簡稱：VLSI）、復(fù)雜可編程邏輯器件（ComplexProgrammableLogicDevice,簡稱：CPLD）、現(xiàn)場可編程門陣列（FieldProgrammableGateArray，簡稱：FPGA）等技術(shù)的出現(xiàn)以及對DDS理論的進一步探討，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，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。1.2設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個簡單的DDS正弦波信號發(fā)生器，有頻率增（UP）和頻率減（DOWN）兩個鍵，按UP時頻率步進增加，按DOWN時頻率頻率步進減小。具體要求如下：輸出信號的頻率范圍為100Hz~1500Hz，步進為100Hz。要求輸出信號無明顯失真。發(fā)揮部分：可輸出矩形波和三角波；進一步擴大輸出信號范圍或減小步進頻率。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。方案二：基于單片機完成設(shè)計利用單片機的課編程輸出，再配以相應(yīng)的外設(shè)電路即可實現(xiàn)理想波形的輸出。2.2方案比較方案一：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。方案二：采用89C51單片機為核心實現(xiàn)，單片機處理速度使DDS的頻率范圍非常有限，加上單片機本身端口較少，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)在對單片機知識掌握的不是很好?？紤]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。設(shè)計過程3.1DDS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時鐘周期來臨時將頻率控制字（TUNINGWORD）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：頻率控制字頻率控制字相位寄存器正弦查詢表DACLPF時鐘fc∑∑圖圖3-1DDS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中存儲一個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，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)。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)最基本的公式之一。由此可以得出：輸出信號的最小頻率（分辨率）為：f0min=fc/2n輸出信號的最大頻率為：f0max=（Mmax×fc）/2nDAC每信號周期輸出的最少點數(shù)為：K=2n/Mmax當(dāng)N比較大時，對于很大范圍內(nèi)的M值，DDS系統(tǒng)都可以在一個周期內(nèi)輸出足夠的點，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=f0min×2n=100HZ×28=25.6KHZ頻率控制字為從1~153.3器件選擇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。同時選用與DAC0832配合使用的運算放大器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計數(shù)電路圖4-1計數(shù)電路如圖4-1，使用十六進制可逆計數(shù)器74LS193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相位累加電路圖4-2相位累加電路如圖4-2，此電路中的74LS283為四位二進制超前進位全加器，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的進位端輸出（9腳）接到U3的進位輸入端（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）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：Q0輸出Q1輸出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圖4-3鎖存器第四位輸出波形4.3正弦函數(shù)表圖4-4E2圖4-4E2PROM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:512KB。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)表圖4-5正弦函數(shù)表4.4D/A轉(zhuǎn)換電路圖4-6D/A轉(zhuǎn)換電路圖4-6D/A轉(zhuǎn)換電路如圖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接運算放大器將電流量轉(zhuǎn)換成電壓量，最終從運放的1腳輸出。此時即可測得正弦波。如圖4-7：圖4-7輸出波形圖4-7輸出波形4.5低通濾波電路圖4-8濾波電路圖4-8濾波電路如圖4-8，從運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。4.6555脈沖產(chǎn)生電路圖4-9555電路圖4-9555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=0.039×10-3s需要占空比為q=50%的方波，即R6=R5C4=10×102pF=10-9T=T1+T2=（R5+2R6）Cln2=0.039×10-3可以推得：R5=R6=（0.039×10-3）/（3×10-9×0.69）=18.8KΩ4.7消抖電路圖4-10按鍵消抖電路圖4-10按鍵消抖電路由于按鍵存在機械抖動，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。4.8電源濾波圖4-11電源濾波電路圖4-11電源濾波電路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?？傇韴D圖4-12總原理圖圖4-12總原理圖元器件清單元件名稱型號數(shù)量備注觸發(fā)器74LS141個計數(shù)器74LS1931個加法器74LS2832個鎖存器74HC5741個E2PROMAT29C5121個D/A轉(zhuǎn)換器DAC08321個運算放大器NE55321個555模塊NE5551個普通電阻10K2個普通電阻1K1個普通電阻200歐2個電位器20K2個點位器10K1個陶瓷電容1036個電解電容10uF2個陶瓷電容1021個按鍵3個底座DIP-82個DIP-164個DIP-202個DIP-321個導(dǎo)線1mm若干表6-1元件清單表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:圖7-1輸出波形可以通過按鍵調(diào)整輸出正弦波的頻率，可以從100HZ到1500HZ之間的調(diào)整，步進為100，幅度可在2.5V到3V。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，達到設(shè)計要求。存在的問題及改進意見這個設(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，帶負載能力不強，當(dāng)在其后加上負載時，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。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，再給后面添加一個積分運算電路即可實現(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。總結(jié)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。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。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。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把握越好就越順手。電容在里面起到了至關(guān)重要的作用。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