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第一届大学生电子设计竞赛 基于DDS技术的数控信号发生器的设计
公元 2009年 6月 12 日
指导老师：贺付亮
参赛队员：张 瑜
周 韬
李超平

西南大学
电子信息工程学院
基于DDS技术的数控信号发生器的设计

综合电子课程设计

摘 要

本系统由AD9850、单片机控制模块、键盘、LCD液晶显示屏、低通滤波器和末级放大电路构成。用AD9850直接数字频率合成技术（DDS）及外围电路，产生稳幅正弦波、方波及三角波，并在数字域实现ASK/FSK/PSK/FM等四类调制信号。整个系统结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强。
【关键字】 AD9850、DDS、函数信号发生器、FSK、PSK、ASK

Abstracts
The system by the AD9850, single-chip control module, keyboard, LCD liquid crystal display, low-pass filter and amplifier at the end of class composition. Using AD9850 direct digital frequency synthesis (DDS) and the external circuit, resulting in steady increase sine wave, triangle wave affected side, and in the digital domain to achieve ASK / FSK / PSK / FM modulated signals such as four categories.Compact the entire system, the circuit is simple, powerful and highly scalable.
【Keywords】 AD9850,Function signal generating device ，DDS,FSK,ASK,PSK
一、作品简介
本设计为简易的函数信号发生器，能够产生实验中所需的各种常用波形以及实现ASK/FSK/PSK/FM等四类调制信号。产生的信号频率范围广，稳定度高，并且制作的成本较低，非常适合学生用于课外学习、实验、开发等使用。
二、方案论证与比较
1、总体设计指标
1）基本部分
l 具有产生正弦波、方波周期性波形的功能。
l 输出波形的频率范围为1KHZ～10MHZ，频率稳定度优于10-4。
l 具有频率设置功能，频率步进：100Hz。
l 输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥1V。
l 失真度：用示波器观察时无明显失真。
（2）发挥部分
l 信号频率可调，用键盘输入调整的频率值后直接调频。
l 具有稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于正负3﹪（负载电阻变化范围：100欧～∞）。
l 产生模拟频率调制(FM)信号：在100kHz~10MHz频率范围内产生10kHz最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生。
l 产生二进制PSK、FSK、ASK信号。ASK/PSK在100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号自行产生；FSK的载频为100KHz和20KHz，进行二进制键控。
2、系统总体规划
根据题目的要求，为了更好的达到各项设计指标，故本系统采用单片机为核心控制器，结合外围电路实现函数信号发生器的各项功能能。

3、正弦信号输出方案
方案一：采用专用信号发生器。MAX038是美信公司的低失真单片信号发生器集成电路，内部电路完善。能够直接生成同一频率信号的各种波形信号，频率范围为0.1Hz～20MHz，信号的失真度小于1％。本题的设计要求输出信号频率稳定度优于10-4，所以采用MAX038在频率精确度和稳定度方面都很难达到要求。
方案二：采用直接数字合成（Direct Digital Synthesizer）方案。DDS技术频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、输出信号无电流脉冲叠加、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化。DDS 的原理框图如图1-2所示。

图1—2 DDS原理框图
方案论证：综合题目要求，信号发生器产生的频率稳定度、精确度都不如DDS合成的频率；另一方面，DDS较信号发生器更容易程控精确控制，所以我们选择DDS方案进行频率合成。
4、模拟频率调制方案
方案一：采用间接调频的方法。AD9850的输出频率表达式：，其中k为32位二进制，为外接晶振的频率。在输入控制字一定的前提下我们通过锁相环控制DDS总时钟，在锁相环电路中进行频率调制，来改变DDS输出信号频率，间接实现调频，这样实现简单，频域内频谱连续，但是很难做到精确的10KHz和5KHz的最大频偏。
方案二：采用阿姆斯特朗法。先将调制信号积分，然后对AD9850产生的载波信号进行调相，即可产生一个NBFM信号，在经n次倍频得到WBFM信号。原理框图如图所示。
此方法产生的频率稳定度好，但是需要多次倍频和混频，电路复杂。
方案三：采用软件调制的方法。在直接调频法中，振荡器与调制器合二为一，其原理框图如图所示。

由此我们得到启示，直接根据调制信号的当前电压值控制AD9850产生相应的频率。我们通过单片机中断对外部调制信号进行采样（采样速率设定为40KHz）,单片机对采样值进行转换把采样到的调制信号的电压值通过线性运算转换为对应的频偏值，最后将频偏值与中心频率相加并换算为相应的频率控制字送到AD9850，这样就实现了对1KHz调制信号的调频并且满足10KHz的最大频偏。
方案论证： 综合以上方案，我们采用方案三来实现FM。由于题目要求中调制信号为频率固定的1KHz正弦信号，所以实际调制中我们把正弦信号存储在单片机中，并且换算好相应的频率控制字。
5、数字调制方案
方案一：采用软件调制
ASK:采用软件控制DDS芯片，根据基带信号输出100kHz正弦载波或者停止产生。当基带信号为1时输出100kHz的载波，为0 时输出为0。
PSK:采用软件控制DDS芯片，根据基带信号改变正弦载波的相位。当基带信号为1时输出相位为0的载波，为0时输出相位为180 的载波。
FSK:根据基带信号改变AD9850的频率控制字。当基带信号为1时产生100KHz的正弦波，为0 的时产生20KHz的正弦波。
方案二：采用模拟选通开关实现
ASK:当基带信号为1时，模拟开关选通DDS输出端，输出100KHz正弦波，为0 时接地。
PSK: 采用运算放大器F733输出两路相位相反的信号，再由基带码元控制选通开关选择这两路信号，则得到PSK。
FSK:用两块AD9850芯片分别产生100KHz和20KHz的正弦波。当基带信号为1时接通100k的正弦波信号，为0 时接通20K的正弦波信号。
方案三：采用AD公司的AD9856作为调制芯片。AD9856是内含DDS的正交调制芯片，可以实现多进制的数字幅度调制，多进制的数字相位调制和多进制的数字幅度相位联合调制。ASK、FSK、PSK的调制都可以通过它实现。但是AD9856控制复杂，并且价格昂贵。
方案论证：方案一和方案三通过软件实现，外围电路简单，但是AD9856价格昂贵；方案二比较经典，但是外围电路比较复杂，综合以上方案的利弊，我们优先考虑方案一作为数字调制方案。
6、主处理器的选择
考虑到本设计中需要存储的数据量较多，程序运行的稳定性要求比较高，指令执行的速度快，所以我们选用型号为AT89S52的单片机作为本系统的主处理器。AT89S52容量为8K，时钟最高33MHz，集成了Watchdog Timer，适合设计中的需求。
7、显示电路的设计
由于本系统所要显示的信息较多，为了提供更好的人机交互界面，故采用带中文字库的128*64液晶显示屏。128*64液晶显示屏能够显示中文、数字、西文等字符，显示的内容丰富。体积小，质量轻，画面的显示清晰，显示稳定，不会出现闪烁现象，外围驱动电路电路设计简单，节约硬件资源。
三、系统结构设计
1、总体设计
（1）系统框图如图2-1所示
（2）单片机小系统
单片机小系统由键盘，LCD显示屏，和AT89S52构成。负责用户的交互和整个系统的控制。
（3）DDS及调制电路模块
DDS及调制电路模块由AD9850和ASK/ FSK / PSK/FM调制电路组成。AD9850负责在数字域实现ASK/ FSK / PSK/FM四类调制信号以及正弦波、方波的合成，输出的方波经积分电路后形成三角波。
（4）滤波及放大电路
由于输出信号的频率要达到10MHz，所以滤波电路采用电气特性优良的高速运算放大器设计的一个有源二阶低通滤波器，用以去除DDS合成信号固有的高次谐波成分，同时有2倍放大器的功能。
信号放大电路同样采用的高速运算放大器，使输出信号的幅度能达到题目要求。
（5）积分电路
本系统采用RC积分电路将方波信号转换成三角波。
典型的积分电路：

（6）电源设计
AD9850内的10位高速DAC对模拟地和数字地之间的串扰十分敏感，串扰会造成输出波形的质量下降。故本系统采取线性电源用于给模拟电路和数字电路分别供电，在模拟地和数字地之间用磁珠相连。由于磁珠具有抑制信号线、电源线上的高频噪声和尖峰干扰，还具有吸收静电脉冲的能力，所以使得模拟电路和数字电路之间最大程度的隔离开来，使得输出的信号质量得以保证。
2、理论分析与参数设计
（1）载频参数的计算
本设计要求：输出波形的频率范围为1KHZ～10MHZ，频率稳定度优于10-4；输出信号频率可调，频率步进间隔基础部分为100Hz，发挥部分为1Hz和1KHz，或者用键盘输入调整的频率值后直接调频。
AD9850的输出频率带宽理论值为50%fs（fs为AD9850的参考时钟，频率为66MHz），考虑到低通滤波器的特性和设计难度，实际的输出频率为15%fs。本设计中的输出频率为1KHz～10MHz，所以具有很好的幅频特性。
系统频率调节的步进间隔为1Hz、100Hz和1KHz。当AD9850的时钟频率为66MHz时，最小频率分辨率可达0.01536Hz，充分满足频率调整步进的要求。
（2）滤波电路参数计算
本设计要求：输出最大频率为10MHz的正弦波。
首先确定电容C为100pF，截止频率为10MHz，根据Fc=1/2πRC计算出电阻值R=1/(2π*107*10-10)=159.24Ω，电路如图2-2所示。

图2-2 有源二阶低通滤波器设计
图中R1＝R2＝159Ω ，C1＝C2=100pF，其截止频率为Fc=1/2πR1C1=10MHz，其零频增益为G＝1+Rf/R＝1.6
（3）放大电路参数计算
本设计要求：发挥部分，输出的正弦信号波形幅度范围1～10V（峰峰值）。当负载变化时，输出电压幅度变化不大于正负3﹪（负载电阻变化范围：100欧～∞）。
设计要求系统输出具有较好的负载能力，所以放大芯片选用AD811。用±15V双电源供电时，输出电流可达100mA，输出电压可达±12V。能够满足设计的要求。
我们采用AD811手册上的典型电路作为信号放大电路。用±15V双电源供电，Rfb=619ohm，RG=∞，RL=150ohm时增益为10。RFB是一个数控电位器。电路如图2-3所示。

图 2-3 信号放大电路
（4）积分电路参数计算
由于信号频率很宽，所以选用电气特性优良的高速运算放大器AD811。电路如图2-4所示。

图2-4 积分电路
（5）模拟频率调制方案设计
用软件实现FM的原理框图，如图2-5所示。FM的瞬时的频率可分解为：中心频率和瞬时的频率偏移量。而瞬时的频率偏移量与调制信号的当前电压值成正比，根据题目要求调制信号是频率固定的 1KHz正弦波，所以我们省去了繁杂的采样和运算，直接把对应于1KHz正弦波的频偏控制字存储为一个表。
可行性分析：根据奈奎斯特抽样定理，要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于调制信号最高频率的2倍。本系统采用抽样频率为40KHz对一个完整的1KHz正弦波信号均匀抽样40次，这样只需记录1/4个波形，即只要固化11个数据就可以达到目的，单片机采用33MHz时钟频率，平均每产生一个周期的1KHz正弦波的时间内有2750个时钟周期，即每个抽样点都有68个机器周期可以实现，这样是可以实现。同样可以通过配置定时器改变抽样点产生的时间间隔从而改变产生的正弦波的频率。
四、系统软件设计
1、设计目的
使单片机接收用户键盘的输入数据（信号参数的预置、选择和步进）和控制指令，并向液晶屏，AD9850以及其他部件发出控制信息，控制维护系统的可靠运行。
2、设计思路
单片机子系统主要完成键盘输入、液晶显示、处理信号调制的算法、向AD9850送控制字及控制其他模块工作等功能。由于AD9850能够自行控制高速产生波形，所以单片机只需向其送控制字而不用过多的干涉。
（1） 人机接口——LCD显示器和键盘规划设计
为了使操作界面更直观，设计了下面的LCD显示页面，如图4-1所示。

键盘主要用于选择信号波形、信号调制类型、输入频率值等功能。0～9用于输入频率值和不同情况下功能复用，1个确定键，1个取消键，“+” 、“-”各一个用于调节频率和幅值，单位切换键1个，共15各按键，故采用4*4行列式键盘。本设计中按键定义如图4-2所示。
（2）菜单控制流程图
本软件设计了4级菜单结构及友好提示界面，用户根据菜单的提示信息进行操作，方便简单。如图4-3所示。

（3）主程序流程图
主程序完成堆栈指针设置，中断设置，对AD9850的初始化及LCD模块的初始化等功能。在单片机初始化完成后系统按默认配置运行，等待用户的指令。流程图如图4-4所示。

（4）键盘中断服务程序流程图
键盘中断服务程序流程图如图4-5所示。当键盘中断服务程序响应后，首先读入键值，在根据键值执行相应的功能。根据图4-2所示的键盘定义，DDS信号发生器共设置了15个功能键，有些按键在不同的功能模式下会有不同的功能。在执行键盘中断服务程序时，用户根据显示器上面的菜单选项选择所需的功能和设置相应的参数。

（5）向AD9850送频率控制字流程图
如图4-6所以，在键盘输入频率值后，由单片机控制向AD9850输送控制字。

（6）数字调制信号产生流程图

五、电路设计
1、控制模块
控制模块主要由TA89S52和LCD显示以及键盘组成。显示屏用一块带中文字库的128*64液晶显示，电路原理图如图5-1所示。

图5-1 控制模块电路原理图
2、DDS信号产生模块

3、积分放大电路
由于信号频率很宽(从1KHz到10 MHz)，为了保证不同频段的线性积分，需要不同的积分电容。基于数控和自动切换的需要，实际电路设计时在前面所述的积分电路的基础上采用CD4051八选一电路。控制信号来自单片机。

4、滤波电路
六、指标测试
测试仪器：AC97数字万用表、60M数字示波器
1.基本要求测试
（1）正弦波频率范围测试
将输出端接50负载，对输出电压进行测试，测试数据如表所示：
设置频率(Hz)
实测频率(Hz)
Vpp(V)
设置频率(Hz)
实测频率(Hz)
Vpp(V)
10
9.95
6.40
1M
1.03M
6.00
1k
1.005k
6.20
13M
13.02M
5.96
（2）频率步进设置测试
在题目要求的范围内选取2个测试点（1kHz和1MHz）进行测试。测试结果如表。表7-2
初始频率(Hz)
步进值
步进级数
实测频率(Hz)
1K
100Hz
-1
900.0
1M
100Hz
+10
1.001M
2、发挥部分测试
调制类型
基带速率（Hz）
载频（Hz）
调制信号是否有
ASK
10kH
100kH
有
FSK
10kH
100kH和20kH
有
PSK
10kH
100kH
有
FM
调制信号1kH
频偏5kH，载频100KHz
有
用数字示波器观察波形
七、结论
　　本系统完成了题目基本部分和发挥部分的大多数内容，在完成的项目中大部分指基本达到题目要求，个别指标由于时间有限做得不是非常完善。
　　主要特色：
　　图形动态菜单。使操作界面更加直观，更加人性化，操作更简单。
　　输出频率扩展到10Hz-15MHz。
50Ω负载上1KHz-10MHz整个带宽中，波形峰峰值稳定在3.0V。
参考文献：
　　[1] 2003年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编，北京理工大学出版社2003.
　　[2] AD9850 Data Book［Ｓ］．Analog Device Inc.，1999．
　　[3] A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis［Ｓ］．Analog Device Inc.，1999．