（通信与信息系统专业论文）双路dds函数发生器a路信号及主控部分的设计.pdf

摘要 摘要 直接数字频率合成( d d s ) 技术是最新发展起来的一种信号产生方法。本课题基于 此技术，设计了一种适用于实验教学的双路输出函数信号发生器，其中，a 路采用集成 d d s 芯片a d 9 8 5 0 ，b 路采用可编程逻辑器件实现d d s 。 本设计的任务是实现a 路信号的输出，包括正弦、方波、脉冲及调幅几种常用波 形，结合键盘和显示部分，构成一个完整的信号源。本文对几种波形的产生及控制过程 进行了详细论述。正弦和方波由a d 9 8 5 0 产生，脉冲波由c p l d 产生，幅度调制部分采 用a d 8 3 5 乘法器，实现常规双边带调幅。控制部分依次为，对信号进行幅度控制，再 经过由a d 8 4 4 构成的两级运放，分别实现电压放大和功率放大，最后由固定衰减网络 对信号幅度实现0 一4 0 d b 的衰减。键盘部分采用编码式键盘芯片h d 7 2 7 9 a ，以串行 方式与单片机进行通信。显示部分使用内藏t 6 9 6 3 c 控制器的点阵式液晶显示器 h s l 2 8 6 4 显示数据及功能。整个系统的协调工作出单片机a t 8 9 c 5 2 控制。 本设计对主要部分进行了测试，并对实验数据进行了分析，结果证明其性能较好。 主要体现在：频率稳定度高，波形幅度分辨率高，尤其是自行设计的c p l d 数字脉冲信 号发生器产生的窄脉冲宽度最低可达2 0 n s ，常规双边带调幅能够实现0 1 0 0 的调制 度，且线性较好。 本系统能够实现信号源的基本功能，适用于实验教学，成本较低，并且某些性能高 于市场上现有的一些d d s 信号源。 关键词：d d s ；函数信号发生器；a d 9 8 5 0 ；单片机；c p l d a b s t r a c t a b s t r a c t n ed i r e c td i 百t a jf r e q u e n c ys y n n l e s i s ( d d s ) t e c l l l l o l o g ) ri st h el a t e s td e v e l o p m e n to f c o m i n gi n t 0b e i n gs i 朗a l s t l l i ss u b j e c td e s i g n e d 似的c h a r m e lf l u n c t i o ng e n e r a t o rf o rl d b o r a t o 巧 b a s e do nd d s 1 1 1 e r e i n t o ，c h a n n e laa d o p t e dm ed d sc h i pi n te _ 伊a t i o n _ a d 9 8 5 0 ，c h 锄e lb u t i l i z e dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c et 0a c h i e v ed d s n l et a s ko ft h i sd e s i 黟i st 0a c h i e v et h eo u t p u ts i 盟a l so fc 妇m e la ，i n c l u d i n gc 0 i n m o n w a v e f 0 皿s u c ha ss i n e ，s q u a r e ，p u l s ea i l d 锄p l i t u d em o d u l a t i o n d d sc o l b i n e dw i mt l l e k e y b o a r da n dd i s p l a yc o n s t i m t e dai n t e g r a t e d 允n c t i o ng e n e r a t o r n et 1 1 e s i si n t r o d u c e d 吐l e p r o d u c t i o na n dc o n t r o lp r o c e s so ft h ew a v e f 0 吼s i n ea i l ds q w ew a v ew e r eg e n e r a t e db yt l l e a d 9 8 5 0 ，p u l s ew a sg e n e r a t e db yt h ec p l d ，锄p l i t u d em o d u l a t i o nu s e da d 8 3 5t 0a c k e v e m o d u l a t e dw a v e t h ec o n t r o l l i n gp a r ti n c l u d e d 锄p l i t u d ec o n 仃o l ，v o l t a g e 越n p l i f i c a t i o n ，c u n e n t 锄p l i f i c a t i o na i l dt h eot 0 - 4 0d b 砒e n 蹦i o n n ek e y b o a r du s e dh d 7 2 7 9 a t 0c o m m u m c a t e d 诵t hm c ub ys e r i 址w a y t h ed i s p l a yu s e dl c dh sl2 8 6 4c o n t a i n e dt 6 9 6 3 ct os h o wm ed a t e a n d 觚c t i o n n l ew h o l es y s t e mi sc o o r d i n a t e db ym ea t 8 9 c 5 2 a tl a l s t ，n l ed e s i 朗t e s t e dt h em a i np a n 锄da i l a l y z e dt h ee x p e r i m e n 诅ld a 饥t h er e s u l t s p r 0 v e dt h a ti t sp e 而h n a n c ew a l sb e t t e r p 曲1 撕l ye m b o d i e di n ：1 1 i 曲如q u e n c ys t a b i l 时a 1 1 d h i 曲、v a v e f o 珊a i l l p l i t u d er e s o l u t i o n e s p e c i a l l y m ec p l dd i g i t a l p u l s eg e n e r a t o r w a s d e s i 印e db ym y s e l f ，i t sn 绷wp u l s e 埘d t l lw a su pt o2 0 n s t h ed e g r e eo fm o d u l a t i o no fa m c o u l da c h j e v eot o1 0 0 a 1 1 di t sl i n e a rw a sb e t t e r t h es y s t e mc a l la c t l i e v et h eb a s i cf h c t i o no fm eg e n e r a t o r i ti sa p p l yt ot h el a b o r o t a l y a 1 1 dt l l ec o s tc a nb er e d u c e d f u r t h e rm o r e ，p a r to fm ep e r f o r a i l c e sa r eb e t t e rt l l a n 也ee x i s t i n g d d ss o l 】r c eo nt h em a r k e t k e y w o r d s ：d d s ；f u n c t i o ng e n e r a t o r ；a d 9 8 5 0 ；m c u ；c p l d 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包合其他人 已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书所 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了致谢。 作者签名： 瑟望 日期：坦星年丘月上f 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月同解密后适用本授权声明。 2 、不保密。 ( 请在以上相应方格内打“”) 导师签名： 日期：j 遮丑年厶月上同 日期：2 翌旦窆年1 月址同 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为( 双路矿彤函袁纯参铂瑶饬藏彦蝗鲁饬蚴 的学位论文，是我个人在导师蝴指导并与导师合作下取得的研究成果，研 究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资 助下完成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的 各项法律、行政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大 学的书面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内 容。如果违反本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人： 毯望 日期：殛星年厶月上日 作者签名：互起莹 导师签名：互么型窆 日期：丝墨年厶月上日 日期：迦翌年二月匕一同 第1 章引言 1 1 研究目的 第1 章引言 在电子行业的测试应用中，信号源扮演着极为重要的角色。不同类型的信号源在功 能和特性上各不相同，分别适用于不同的应用场合。信号源种类很多，其中最常用的是 函数信号发生器。另外，还有如射频信号发生器、扫描信号发生器、噪声信号发生器、 脉冲信号发生器和任意波形发生器等掣。 函数发生器是使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、方波、三角波、锯齿波、 脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫频功能。 传统的模拟信号源是采用电子元器件以各种不同的方式组成振荡器，其频率的精度 和稳定度都不高，而且工艺复杂，分辨率低，频率设定和实现计算机控制也不方便。 随着数字技术的飞速发展，以及高精度大动态范围数字模拟( d 砧转换器的出现和 广泛应用，用数字控制方法从一个标准参考频率源产生多个频率信号的技术，即直接数 字频率合成( d d f s ) 技术异军突起。 d d f s 是直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t l l e s i z e r ) 的英文缩写，通 常简写为d d s 。d d s 是最新发展起来的一种信号产生方法，它完全没有振荡器元件， 而是用数字合成方法产生二连串数据流，再经过数模转换器产生出一个预先设定的模拟 信号。与传统的频率合成器相比，d d s 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间 等优点，是简化和改善频率合成技术的有力工具，广泛使用在电信与电子仪器领域，是 实现设备全数字化的一个关键技术【2 】。 本课题要求设计一种适合实验室教学用的性能优良的函数信号发生器。基于对实验 室信号源的各项性能指标提出越来越高的要求，比如频率稳定度、频谱纯度、输出信号 的频率范围等等，以及数字技术的不断发展和广泛应用，最终确定采用d d s 技术来实现。 1 2d d s 技术的研究现状及发展趋势 d d s 技术首先是由美国的j t i e m y ，c m r a d e r 和b g o l d 【3 1 三人于1 9 7 1 年首次提出j 是频率合成技术的次革命。但限于当时的技术和工艺水平，它的性能指标尚不能与已 有的技术相比，故未受到重视。近l o 年问，随着微电子技术的迅速发展，d d s 得到了 l 河北人学1 ：学硕十学位论文 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 的姣姣者。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。 同时，可编程逻辑器件p l d 以其速度高、规模大、可编程，以及有强大的 e d a ( e 1 e c t r o n i cd e s i g n a u t o m a t i o n 一电子设计自动化) 软件支持等优点，也极大地推动 了d d s 技术的发展【4 】。由于d d s 的特点以及一些公司不断推出的d d s 芯片和产品， d d s 技术被广泛应用于通信、电子对抗和仪器仪表等领域。 d d s 是一项充满生命力的技术，其发展速度和应用范围之广是惊人的。从七十年代 到今天，西方国家从未间断过对d d s 技术及其应用的研究，一批批成功的d d s 芯片和 d d s 应用产品正在逐步获得国际市场的青睐。我国对d d s 的研究也已取得了重大成就。 2 0 0 5 年，中国科学院半导体研究所科研人员采用0 3 5 微米常规互补金属氧化物半导体 电路( c m o s ) 工艺，研制出合成时钟频率达2 千兆赫兹的新一代不需要只读存储器的 低功耗d d s 高速芯片f 5 1 。这种c m o sd d s 结构方式的芯片速度指标处于国际同类芯片 领先地位，此前国际上报道的类似芯片的合成时钟频率仅为1 2 千兆赫兹。尽管如此， 我国对d d s 技术的研究仍存在大量的艰巨工作要做，如精确分析d d s 的杂散频谱特性， 研究d d s 杂散功率降低方法以及扩展d d s 的输出带宽，以发挥其频率分辨率高、频率 切换快、相位噪声低和全数字化等优点，使d d s 技术在国内得到广泛应用。 随着d d s 技术的发展，基于d d s 技术的信号源将逐步走上舞台并逐渐占据中低频 信号源的主导地位。d d s 信号源的突出优势在于它的频率很稳定，由于采用直接数字合 成技术，其输出频率和系统时钟同步，避开了由于元器件温度改变而产生的频率飘移， 所以其频率稳定度非常高，尤其是在小信号和大信号模式下，d d s 信号源通过低通滤波 器避免了传统信号源在电流切换的时候产生的振荡现象。所以和传统信号源比较起来， d d s 信号源更能明显地显示出其优势，再加上与传统信号源同样全面的功能，使得d d s 信号源将成为未来信号源的发展趋势。 1 3 本文主要工作与内容安排 本文论述了双路d d s 函数发生器的总体设计方案，详细介绍了d d s 的工作原理及 实现过程。对于整个信号源系统，本论文负责a 路部分，它是用专用d d s 芯片产生标 2 第1 章引言 准波形，结合人机接口和显示部分，构成一个完整的信号源。b 路部分除了产生正弦、 方波等常用波形，还能产生一些特殊波形，此部分由另一名同学负责，也采用d d s 技 术，由可编程逻辑器件实现。 本文具体内容安排如下： ( 1 ) 第一章介绍了本课题的研究目的，和直接数字频率合成( d d s ) 技术的研究 现状及其发展趋势。 ( 2 ) 第二章根据课题要求的性能指标，对系统的总体设计进行了论述，并对主要 芯片进行了比较选择。 ( 3 ) 第三章介绍了d d s 的基本构成和工作原理，并对几种标准波形的产生过程和 控制进行了详细研究。 ( 4 ) 第四章键盘输入部分针对键盘控制芯片h d 7 2 7 9 a ，介绍了其硬件设计、软件 设计及键盘面板的配置。 ( 5 ) 第五章介绍了液晶显示原理，针对内藏t 6 9 6 3 c 控制器的点阵式液晶显示器芯 片h s l 2 8 6 4 论述了本系统显示部分的设计。 3 河北人学t 学硕十学位论文 第2 章系统整体设计方案 本课题要求设计一种用于实验室教学的双路d d s 函数发生器。 对于d d s 的实现，有两种途径：( 1 ) 采用可编程逻辑器件。这种方法可以按题目 的具体要求量身定做，产生任意的波形，灵活发挥d d s 信号源的各项优良性能，但需 加d a 转换器等许多外围器件，造成电路板的体积大，势必会影响信号源性能，并且设 计工作量较大。( 2 ) 采用集成d d s 芯片。集成芯片的电磁兼容性、抗干扰等各方面性 能一般比可编程逻辑器件设计的d d s 信号源性能要好，这种方法只需少量外围器件就 能构成一个完整的d d s 信号源，性价比高，但生成的波形种类较少。 本系统中，a 路部分采用集成d d s 芯片，要求能够产生频率范围在4 0 m h z 4 m h z 的正弦信号，并在此基础上，产生方波、脉冲波、a m 。b 路部分采用可编程逻辑器件， 能够产生正弦、方波、三角波、锯齿波及脉冲波。 2 1 主要性能指标6 i 波形种类：正弦波、方波、脉冲、a m 、三角波、锯齿波 正弦波总失真度：0 5 ( 2 0 h z 2 0 0 k h z ) 脉冲波占空比范围：1 9 9 ( 频率 1 m h z ) 幅度范围：2 m v p p 2 0 v p p ( 高阻，频率 2 v ) ，2 m v p - p ( 0 2 v a 2 v ) ，0 2 m v p - p ( a o 2 v ) 幅度准确度：( 1 + 2 m v ) ( 高阻，有效值，频率l k h z ) 幅度稳定度：o 5 3 小时 幅度平坦度：5 ( 频率 l m h z ) ，1 0 ( 1 m h z 现的信号源 部分 电路 图2 - 1 系统整体框图 信号源电路部分采用直接数字频率合成( d d s ) 技术实现，用于产生频率可控的信号， 并能够满足一般用户对频率范围的要求。 ， 键盘部分负责输入各种指令，比如需要哪种波形，以及波形的频率、幅度等。 显示部分负责显示信号状态，包括波形的种类、频率及幅度数值。 单片机主控单元( m c u ) 要究成逻辑控制、数据处理以及与人机接口部分通信三个 主要功能。 系统的详细框图如图2 2 所示。 信号源的外围电路主要包括低通滤波电路、幅度控制电路、功率放大电路和衰减电 路，它们分别对信号中的噪声进行抑制，并对输出信号的幅度和功率起到控制作用。 7 河北人学。：学硕十学位论文 图2 2 系统详细框图 8 第3 章a 路信号源电路的设计实现 第3 章a 路信号源电路的设计实现 本章首先介绍d d s 的基本构成和工作原理，再重点讨论以a d 9 8 5 0 为核心的信号 源设计，同时对几种标准波形的产生过程进行详细研究。 3 1 直接数字频率合成( d d s ) 技术 3 1 1d d s 基本构成 d d s 的基本电路一般包括参考时钟、相位累加器、正弦查询表、d a 转换 器( d a c ) 和低通滤波器( l p f ) 。 相位累加器 图3 - ld d s 系统基本原理框图 图3 1 中，参考时钟由一个稳定的晶体振荡器产生，用它来同步整个合成器的各 个组成部分；相位累加器由n 位加法器和n 位相位寄存器级联面成，对代表频率的 二进制码进行累加运算，是一个典型的反馈电路；正弦查询表是一个可编程存储器 ( p r o m ) ，也称波形存储器，它包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应币 弦波中0 度3 6 0 度范围的一个相位点。在时钟f c 的驱动下，地址计数器逐步经过正弦 查询表，把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，因此也称其为相位幅度转换 器( p a c ) ；d a 转换器( d a c ) 把数字量转换成模拟量；低通滤波器( l p f ) 平滑并滤 除不需要的取样分量，以得到频谱纯净的正弦波信号。 3 1 2d d s 工作原理 d d s 技术建立在采样定理的基础上，它首先对需要产生的信号波形进行采样和量 化，然后存入存储器作为待产生信号波形的数据表。在输出信号波形时，从数据表中依 q 河北大学j l j 学硕十学何论文 次读出数据，产生数字化的信号，这个信号再通过d a c 转换成所需的模拟信号波形【18 1 。 其具体工作过程如下： 每来一个时钟脉冲f c ，n 位加法器将频率控制字f s w 与相位寄存器输出的累加相 位数据相加，把相加后的结果送至相位寄存器的输入端。相位寄存器一方面将在上一个 时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时 钟的作用下继续与频率控制字f s w 相加；另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度 相位转换电路( 即图3 1 中的正弦查询表) ，幅度相位转换电路根据这个地址输出相应 的波形数据。最后经d a 转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟正弦波。 其中要注意以下几点： 1 、频率控制字f s w 的数据并不是频率值，而是相位增量。因此，相位累加器在参 考时钟的作用下，进行线性相位累加，输出的数据就是合成信号的相位。 2 、每经过2 n f s w 个外部参考时钟后，相位累加器就会累积满量产生一次溢出， 完成一个周期性的动作，相应的正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个d d s 系 统输出一个正弦波。因此，这个周期就是d d s 合成信号的一个周期，相位累加器的溢 出频率就是d d s 输出的信号频率。相位增量的大小随外部指令f s w 的不同而不同，一 旦给定了相位增量，输出频率也就确定了。 3 、相位累加器的相位累加为循环迭加，这样使得输出信号的相位是连续的。 3 1 3d d s 的基本参数计算公式【1 9 】 1 、频率控制字f s w 、时钟频率f c 和相位累加器长度n 共同决定了d d s 输出信号 的频率f o 。由于相位累加器是n 比特的模2 加法器，所以它们之间的关系满足： f o = f c f s w 亿n( t o = t c 。2 n f s w )( 3 1 ) f s w = 2 n f o f c ( 3 2 ) 2 、正弦查询表r o m 中存储一个周期的正弦波幅度量化数据，频率控制字f s w 取 最小值l 时，得到输出信号的最小频率( 分辨率) 为： f o = f c 2 n ( f s w = 1 ) ( 3 3 ) 在该式中由于参考时钟f c 一般固定，因此相位累加器的位数n 决定了输出信号的 分辨率。位数n 越大，输出信号的分辨率越高。 3 、由于d d s 输出的最大频率受奈奎斯特( n y q u i s t ) 抽样定理的限制，只能达到参 1 0 第3 章a 路信号源也路冉勺设计实现 考时钟频率的二分之一，所以： 6 n a x = f c 2 ( f s w = 2 n 1 )( 3 4 ) 这个频率只是理论值，在实际情况中，输出频率最高一般只能达到外部时钟频率的 o 4 倍。 3 1 4d d s 各组成部分的具体参数及其相互关系f 2 0 】 作为频率信号源，d d s 系统的输出频率范围、频率分辨率、频率稳定度、波形的 谐波失真等是我们主要关心的指标。由于电路的复杂性、现有技术条件的限制及价格等 因素，这些指标不可能达到很高，有时也没有必要做到很高。我们对这些限制关系做了 一些简要的分析。 相位累加器的位数n 、数模转换比特数n 、时钟频率f c 及其稳定度、低通滤波器的 特性等是决定d d s 系统指标的重要参数。 我们可以认为d d s 系统是模拟信号转化成数字信号的逆过程，也就是将正弦模拟 信号采样、量化的逆过程。正弦模拟信号的频率对应于d d s 系统的输出信号频率，采 样频率对应于d d s 系统的时钟频率f c ，量化比特数对应于d d s 系统的数模转换比特数 n 。由n y q u i s t 采样定理可知，如果要求d d s 的输出频率范围为觚n 劬a x ，则f c 应大 于f m a x 的2 倍。为了使输出波形更好，同时减低对低通滤波器的参数要求，一般f c 至 少取f m a x 的4 倍以上。d d s 系统中数模转换器的转换时闯应小于l f c ，数模转换比特 数n 越大，波形失真越小。但受价格等因素的限制，n 只能取一个适当的值。由式( 3 3 ) 可计算出相位累加器的位数n 应满足： n ： 协5 ， 一般情况，n 选大一些对于数字电路是比较容易的。所以d d s 系统可以很容易地 实现高频率分辨率的信号。但d d s 系统的正弦查询表r o m 中并没有必要存储2 n 个点 的数据呢。这是因为d d s 系统的数模转换比特数n 是有限的，一般不太大，特别对于 高速d a c ，高比特数d a c 没有很大必要。这样，j 下弦查询表r o m 中如果存储非常多 的点，则很多相临的点存储的是同样的幅度值。从图3 2 中可定量分析它们的关系。图 中，t 代表相位。 河北人学- 1 ：学硕十学位论文 jv ( t ) 1 厂、 ， 2 兀 o 冗t 7 - l 幽3 2 d a c 数模转换比特数为n ，对应代表幅度的垂直坐标轴，正弦查询表r o m 的地址 数最小为m ，对应代表时间的水平坐标轴，t 代表相位。v ( t ) = s i n ( t ) 函数的最大斜率为 1 ( t = 0 ) ，必须保证该处的垂直分辨率小于等于水平分辨率，有如下关系： 竺竺( 3 6 ) 一 ( j 6 ) 2 万2 对于m 和n 都为正整数，可得出： m n + 2( 3 7 ) 从相位累加器的位数n 中取高m 位，送到正弦查询表r o m 中作为地址数，即可满 足输出要求。之所以将低位舍弃，是因为舍弃的低位变化对应于输出幅度在士昙l s b 范 围内，输出的是同一个量化电平。 由此可见，正弦查询表r o m 中没有必要存储2 n 个点的数据，其地址数m 只要满 足( 3 7 ) 式即可。 3 2a d 9 8 5 0 芯片介绍【1 o 】 3 2 。1a d 9 8 5 0 芯片引脚及其功能 a d 9 8 5 0 为2 8 脚紧缩型小外形封装( s s o p ) ，其管脚排列见图3 3 ，引脚功能如表 3 1 所示。 第3 章a 路信号源【也路的设计实现 跳 陷 d i d 7 。哪阱馥l lu m 由 d g h d d v d o r e s e t i o u t i o i 玎b g h o v d d d l 弹c ， v 舯 v 一冀 惦c 聃憾盯 l 鲴3 3a d 9 8 5 0 管脚排歹0 表3 1a d 9 8 5 0 引脚功能描述 引脚号引脚名称引脚功能 1 48 位数据输入口，可分次并行装载4 0 能控制数据，d 7 ( 第2 5 脚) 也 d o d 7 2 5 2 8可以作为串行数据输入使坩 5 2 4d g n d数字地 6 2 3d v d d 数字电源 7wc l k 字输入时钟信号 8 f ( l u d 频率更新时钟信号，上升沿更新 外部参考时钟频率，可以是c m o s 电平的脉冲序列或者是加o 5 v d d 9c l k l n 直流偏置的正弦波信号 l o 1 9a g n d 模拟地 1 1 1 8a v d d模拟电源 控制d a 输出电流l o u t 的外部电阻连接端，通常接一只3 9 k q 电阻 1 2r s e t 到地，关系式为i o u t = 3 2 ( 1 2 4 8 v r s e t ) 1 3 q o u t b 内部比较器互补输出端 1 4 q o u t 内部比较器输出端 1 5v i n n 内部比较器负向输入端 1 6v i n p内部比较器正向输入端 1 7d a c b l d a 内部的旁路端，通常悬空 2 0i o u t b d a 电流互补输出端 1 3 们帅髓帅删盯踮旧聃盯：il嚣篙ll意 河北人学丁学硕十学位论文 2 ll o u t d a 电流输出端 复位端，高电平时将所有数据寄存器清0 ，并将地址指针指向w o ， 2 2r e s e t 同时使输入寄存器无效，相位累加器清0 3 2 2a d 9 8 5 0 内部数据寄存器 a d 9 8 5 0 内部的5 个8 位寄存器构成一个4 0 位的数据寄存器，储存来自外部数据总 线的数据和控制字。其中，3 2 位为频率控制字，5 位为相位控制字，i 位是电源休眠( p o w e r d o 、n ) 功能控制，另2 位储存工厂保留码( 编程时，应将其设定为“0 0 ”) 。 a d 9 8 5 0 的3 2 位频率控制字f s w 的计算方法如( 3 2 ) 式所示。其中，相位累加器 长度n 取值3 2 ，外部时钟频率f c 取值5 0 m h z ，因此由单片机送入a d 9 8 5 0 芯片的频率 控制字为： f s w = 2 n f 0 f c = 2 3 2 f 0 5 0 m = 8 5 8 9 9 3 4 5 9 2 f o( 3 8 ) 假设f 0 = 5 0 0 h z ，则f s w = 8 5 8 9 9 3 4 5 9 2 5 0 0 = 4 2 9 4 9 6 7 2 9 6 。 其频率分辨率为： f o = f c 2 n = 5 0 m 坦3 2 = 0 0 11 6 4 1 5 3 h z 0 0 l h z ( 3 9 ) 以上计算过程是由单片机编程来实现的。本设计采用单片机c 语言编程，并在计算 中采用浮点运算，以减小计算误差。在一定的时钟频率下，用户输入所需频率后，单片 机通过执行程序，即可将对应的频率控制字f s w 传送给a d 9 8 5 0 ，最终产生用户所需频 率的信号波形。 3 2 3a d 9 8 5 0 内部工作过程 a d 9 8 5 0 的工作原理如图3 4 所示： 第3 章a 路信号源电路的设计实现 d a c 复位 模拟 输出 模拟 输入 时钟 输出 i b l tx4 08 b l tx5 装载装载 圈3 4a d 9 8 5 0 的功能方框图 a d 9 8 5 0 通过并口或串口写入频率控制字，来设定相位累加器的步长大小，相位累加 器输出的数字相位通过查找正弦查询表，得到所需频率信号的采样值，然后通过d a 变 换，输出所需频率的j 下弦波信号。正弦波信号经外部低通滤波后，再通过芯片内部的高 速比较器，即可输出方波信号。 a d 9 8 5 0 的4 0 位频率相位控制字，可通过并行或串行两种方式送入器件。 ( 1 ) 并行方式：指连续输入5 次，每次输入8 位( 1 个字节) ，将4 0 位频率相位控制 字送入器件。其工作时序如图3 5 所示。 d a t a 匿器匝灏多重歃匝翱 w c l k 。，几r 几n 豳 f q - 皿一，一厂 r 一 图3 5 控制字并行输入的时序图 在并行输入方式下，单片机通过8 位总线d 0 d 7 将外部控制字装载到a d 9 8 5 0 的 数据输入寄存器，在wc l k ( 字输入时钟) 的上升沿装入第一个字节，并把指针指向下 洞北人学i ：学硕十学何论文 一个输入寄存器，连续5 个wc l k 的上升沿读入5 个字节数据到输入寄存器后，wc l k 的边沿就不再起作用。然后在f qu d ( 频率更新时钟) 上升沿到来时，将这4 0 位数据从 输入寄存器装载到频率相位寄存器。这时，d d s 的输出频率( 或相位) 更新一次，同 时把地址指针复位到第一个输入寄存器，以等待下一次的控制字输入。 ( 2 ) 串行方式：在一个管脚( 2 5 脚d 7 ) 完成4 0 位串行数据流的输入。其工作时序如 图3 6 所示。 d a t a 露露逦萤湮歌监三燧耍圈 f q - 皿斗 w c l k几门 n 卜一加个w c u 口时钟周期1 图3 - 6 控制字串行输入的时序图 在wc l k 的上升沿，数据由低位到高位依次从引脚2 5 ( d 7 ) 装载到数据输入寄存 器，4 0 位数据装载完成后，w c l k 的边沿就不再起作用。然后在f q u d 的脉冲作用 下，4 0 位数据一次性输入到频率相位寄存器，d d s 的输出频率( 或相位) 更新一次， 等待下一次的控制字输入。 3 3 以a d 9 8 5 0 为核心的信号源设计 a 路部分的设计采用专用d d s 芯片产生信号波形，用单片机对d d s 芯片进行控制， 与其它控制电路一起构成信号源，其电路方框图见图3 7 。 1 6 第3 章a 路信号源电路的设计实现 图3 - 7 信号源a 路部分硬件电路框图 该信号源由单片机、d d s 芯片、低通滤波器( u ，f ) 、幅度调制、脉冲信号发生器、 幅度控制、功率放大、衰减等几部分组成。其中，单片机采用a t 8 9 c 5 2 芯片进行系统 的控制和数据处理，d d s 采用a d 9 8 5 0 芯片产生标准正弦波。低通滤波器负责滤除输出 信号中的高频杂散信号和谐波信号。脉冲信号由复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 产生。 幅度调制部分的主要器件为一个模拟乘法器，将a d 9 8 5 0 的正弦波信号和b 路信号相乘， 产生调幅波。幅度控制部分采用1 0 位d a c 和a d 8 3 5 模拟乘法器。功率放大电路采用 两级放大，选取a d 8 4 4 芯片，其增益带宽积为6 0 m h z 。衰减部分采用电阻衰减网络实 现0 一4 0 d b 范围内的衰减。 ， 由电路框图可见，本系统由单片机控制的单元很多，因此需要扩展i o 口。本设计 中，用8 2 4 3 来扩展单片机的i o 口。 8 2 4 3 为2 4 脚的双列直插式芯片，其引脚配置如图3 7 所示。该芯片共有4 个4 位 的并行i o 端口，即p 4 、p 5 、p 6 和p 7 口，这四个端口均可独立地设嚣为输入口或输出 口。为芯片的片选信号，低电平有效。 河北火学j r 学硕十学何论文 lu2 4 2 2 3 32 2 42l 5 8 2 4 3 2 0 6i9 713 sl7 91 6 lol5 l ii4 l z1 ) 图3 88 2 4 3 引脚图 8 2 4 3 芯片的p 2 口( p 2 o p 2 3 ) 为控制及信号端口，其有两个作用：一是传送设置 芯片各端口工作方式的命令及端口地址；二是传送输入输出数据。在第一种情况下，由 p 2 0 、p 2 1 指定端口的地址，由p 2 2 、p 2 3 规定端口的工作方式，具体的定义见表3 1 。 表3 28 2 4 3 芯片p 2 口传送控制命令时各位的定义 p 2 1p 2 0芯片端口地址p 2 3p 2 2端口工作方式 0 0p 4 0 0输入 0 1p 50 1 输出 l op 61 0 或 1 l p 71 1 与 本设计中，用两片8 2 4 3 扩展i o 口，控制分配如下 表3 38 2 4 3 芯片端口分配 端口 p 4p 5p 6p 7 芯片 8 2 4 3 aa 路脉冲 a 路波形选择a 路幅度控制a 路衰减 8 2 4 3 ba 路9 8 5 0 芯片b 路c p l d b 路幅度控制b 路衰减 单片机的p 1 0 p 1 3 与两片8 2 4 3 的p 2 0 p 2 3 相连，用单片机的p 1 4 产生p r o g 信号，p 1 5 和p 1 6 分别控制两片8 2 4 3 的片选信号。这样，单片机只用7 根口线即可扩 展为8 组( 3 2 根) 口线，如图3 9 所示。 1 8 c 2 】o 0 2一、2o 霉5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 v p p p p p p p p p p p o o ，2 3 k ，2 ，o t t t t 一笃虬t z l z m 陌队队m队一3呲眨眨陀眩渊 第3 章a 路信号源t 色路的设计实现 u 1u 2 ，1 2 0p 4 0 p 1 l 嚏1p 2 p 3 p 2 二p j d p 5 1 p 2 3p 5 】 p 5 3 p r 0 6p 6 d p 6 1 c sp 6 2 p 6 3 v c cp 7 d p 7 1 6 np 7 二 p ? 3 p 2 dw d p 1 阳1p 二 p 3 王嗡】p j d p 5 1 p 2 3p 5 二 p j 3 p r 0 6 p 6 | d p 6 1 c sp 6 二 p 6 3 v c cp 7 d p 7 1 ；hp 7 二 p ? 3 孑z 辱j f z j b 图3 9 用8 2 4 3 扩展单片机i o 口 以下将按照图3 7 电路方框图的顺序，分别讨论各部分的实现过程。 3 3 1a d 9 8 5 0 与单片机的连接 在本系统中，a d 9 8 5 0 采用外部5 0 m h z 晶振作为参考时钟输入，通过并行端口对内 部寄存器进行控制。 按照表3 一l 中的说明，在实际的硬件电路中，对相关引脚作如下设置【2 l 】【捌： 1 、由1 0 u t b 和i o u t 端送出的满量程电流为1 0 l n a 时，输出信号的无杂散范围 ( s f d r ) 最好，根据公式i o u 卢3 2 ( 1 2 4 8 v r s e t ) 计算出i b e 卢3 9 k q ，即引脚1 2 ( 飚e t ) 接 3 9 艘电阻到地。 2 、为了将电流信号转换为电压信号，要在引脚2 0 ( i o u t b ) 和2 1 ( i o u t ) 输出端各接 一个电阻。为获得较好的无杂散范围，这两个电阻值应取为相等。实际中选取1 0 0 q 电 阻，这样a d 9 8 5 0 输出正弦信号的峰峰值为l v 。 3 、为了充分发挥芯片的高速性能，我们选择了8 位并行接口方式。将a d 9 8 5 0 的8 位数据总线d 0 d 7 ，与单片机的p o 口连接，wc l k 与单片机的p 3 6 相连，r e s e t 与 8 2 4 3 b 的p 4 o 相连，f q l u d 与8 2 4 3 b 的p 4 1 相连，由单片机直接控制a d 9 8 5 0 的字输 入时钟信号，通过控制8 2 4 3 b 完成对a d 9 8 5 0 的复位和频率更新时钟信号的控制。 其硬件连接图如下所示： 1 9 河北大学：f ：学硕十学位论文 鬻i 醢!器溺型 一 ；髀眶 i t il i j 1 2l 】s n i 0 t r r 2 ii 耋：耋蠹薰麈| 需 ，：! v 揣 裂1 若；， 萋 器潲 i ；i 鐾翼孵 1 4s o u o l r r i 、 q 1 了 - 三型乙2 ：2 ： 孽啉州鼹f 鼍鬣： 2 2 d ，醇0r s - - 一p 32 胂p s e 、k c 坠盟w 广lrn r n * p 33 ，町lp 王7 ，a 1 5 * 一p 34 ，阳p 王6 ， j 4 w c 畸葺嚣：黯肇涮； v c c ；p 37 瓜d p 23 ， i l t 酽鍪v 僦弩 ：t 伪州，n 盯上 删咖堇萎i 洲= | l p 20p 4 0 ) 埘x ；f if ) u d 号 7 o i n l 陀in2 p 43 r 2 2p 50 p ，l 2 2i i j ，2 3p 5 ，2 2 iil p 53 2 l ji 豫0 gp 6 0 p i c sp 矗2 p 3 v c cp 70 p 7 l 矾p ，2 ”3 图3 - 1 0a d 9 8 5 0 与单片机的硬件连接图 在用a d 9 8 5 0 制作信号源过程中，要注意以下几点i j i 】f 2 3 】： ( 1 ) a d 9 8 5 0 参考时钟频率最低为1 m h z ，如果低于此频率，系统自动进入电源 休眠方式；当高于此频率时，系统恢复正常。 ( 2 ) 单片机的p 0 口作输出口使用时，输出级是开漏输出，应注意在驱动c m o s 电路时外接上拉电阻。 根据a d 9 8 5 0 的内部结构及其与单片机的连接，我们可以得出，在本系统中正弦信 号及方波信号产生的过程：单片机根据键盘的输入要求，以并行方式向a d 9 8 5 0 芯片中 的频率相位寄存器输入相应的控制字信息。3 2 位的相位累加器在时钟作用下，不断对 频率控制字( 相位增量) 进行线性相位累加。然后取相位累加器输出数据的高1 4 位作 为波形存储器( r o m ) 的相位取样地址，这样就可以将存储在波形存储器内的波形采样 值( 二进制编码) 经正弦查询表查出，完成相位到幅值的转换。波形存储器输出的数字 幅度值再经过a d 9 8 5 0 内部1 0 位的d a 转换器，将幅值转换成相应频率的模拟信号。 将此模拟信号通过外部的低通滤波器( 低通滤波器的设计在3 3 2 小节) ，滤除杂散信号， 即可得到频谱纯净的正弦波信号。再将此正弦波信号接入a d 9 8 5 0 内部的高速比较器上， 即可直接输出一个抖动很小的方波。由此得到两种标准波形。图3 9 和3 1 0 分别为 第3 章a 路信号源电路的设计实现 a d 9 8 5 0 产生的正弦波和方波。 雕难雕弦雕雕 | 避雌! v浏_ 沙沁 ：一一一一： ：。一一 图3 9 正弦波信号 i ， j h u 1 厶l 一m i iu a 印u u u 岫4 图3 1 0 方波信号 3 3 2 低通滤波器电路 a d 9 8 5 0 的内部没有低通滤波器，因此经过d a c 输出的j 下弦信号不可避免的含有 高频杂散信号和谐波信号，其输出杂散有三个主要来源：( 1 ) n 比特相位累加器只输出 高m 位对正弦查找表进行寻址；( 2 ) j 下弦查找表存储的幅值编码仅为有限位；( 3 ) d a c 的有限分辨率和非线性特性。 由于d d s 的采样特性，当输出信号频率低时，一个周期内的采样点多，