51单片机控制的dds频率源的设计
摘 要本篇论文首先介绍的是有关信号发生器的相关发展以及直接数字频率合成技术（DDS）的目前现状和它的发展趋势，随后介绍了有关DDS的原理和结构以及其主要的组成部分。按照设计时的要求，我们较为合理地采取了DDS技术，以C8051单片机以及AD9959芯片作为实验的核心，设计出一种布局较为简单但性能却很优良的信号发生器。该系统的硬件模块总共有三个部分，分别是：以单片机为主控模块，DDS模块以及信号频率的显示模块。最初先对外设进行初始化，再对AD9959进行初始化设置。紧接着模块初始化，输出频率10MHz，相位相差90度的I/Q信号，并在示波器上显示频率，观察峰峰值以及相位的变化。当按键确认按下后，进行相应的指令处理，控制并改变AD9959的输出信号，最后在示波器上显示改变后的波形和信号。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 信号发生器的近状和发展 1
1.2 直接数字频率合成技术（DDS）的现状和发展 1
第二章 整体分析以及设计方案 2
2.1 DDS的基本原理 2
2.2 DDS的工作特点 3
2.3 系统整体设计框图 3
第三章 系统硬件部分 5
3.1 系统电源 5
3.2 单片机控制模块 6
3.3 数字合成模块 9
3.4 液晶显示电路 16
3.5 低通滤波电路 17
3.6 按键接口电路 18
第四章 软件设计部分 19
4.1 系统程序流程图 19
4.2 键盘扫描流程图 20
4.3 程序控制与分析 20
第五章 系统的调试 25
5.1 系统硬件调试 25
5.2 系统软件调试 25
5.3 软硬件调试及结果 25
结束语 27
致 谢 28
参考文献 29
附录 30
第一章 绪 论
1.1 信号发生器的现状和发展
信号发生器，它是一种常用的实验测试工具。在上世纪40年代出现了用于检测各种接受机的信号发生器，从而使信
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
号发生器变成了定量分析测量的科学仪器，同时也改变了信号发生器以往定性分析测试的功能。信号发生器发展的速度十分慢，主要是在于早期的信号发生器的结构复杂，电路简单，并且功耗较大。在上世纪60年代之后由于函数发生器的出现，使得信号发生器得到了快速发展，那时的信号发生器几乎都是依据模拟电路原理知识来实现功能的。目前，多半的仪器设备开始朝着低功耗，便携式，智能化和多功能方向发展。大部分新型的函数信号发生器都不再采取分立元件的方式，主要是由于采用分立元件所建造的信号发生器的功耗较大，而且最后实物设计的体积也十分地大，另外这些信号发生器输出功率的稳定性以及精确度都不理想。
但我们对于任何一种测量仪器都要全面地去考虑它所适用的领域以及它的性价比。当今社会不同的领域都有着不同程度的需求，使得那些低成本制作的集成芯片信号发生器不可能在短期内被取代，而信号发生器作为电子领域不可或缺的实验测量仪器，也必然会朝着更加完善的方向去发展。
1.2 直接数字频率合成技术（DDS）的近况和发展
DDS技术是在1971年第一次提出的。在当时，由于实践水平有限并没有得到重视。而是到了80年代左右，DDS的优点日益显现出来，变成研究的热点，使得该技术有了质的飞跃。世界各国都在研制DDS产品，其中比较典型的是美国的NI，Agilent，Tektronix公司。泰克公司的AWG联合了DDS技术与传统技术，输出波形质量高。例如AFG3000系列频率分辨率较高、范围较宽，采样速率高达2GS/s，采样频率高达240MHz。Agilent公司电路结构简单，性价比高，比如Agilent33220A，可以产生17种波形，频率可达20MHz,2005年推出的N6030A频率可达500MHz,易于操作，简单灵活。随着研究的深入，针对DDS的周期性产生的杂散频谱，采用了随机抖动法，抑制杂散，使离散谱线均匀化，提高了无杂散动态范围。最近几年国外的公司又发布了DDS专业芯片，比如Qualcomm公司的Q2334和Q2230，ADI公司的AD9955、AD9850、AD9854和AD9959等芯片。
DDS在国内的研究起步算是比较晚的，与国外公司还存在着差距。但随着微电子技术的这几年的新发展，差距有了明显缩小，部分公司也能生产出频率较高的信号源，比如四川一家公司生产的SAI100可以产生正弦波、方波等波，还可以产生任意编辑的所需要波形。DDS技术在不断完善和发展的过程中，与早期产品相比，性能越来越高，克服了很多缺点和不足，这一系列性能良好的产品的应用已经扩展到航天、遥控遥测等电子领域。
第二章 整体分析以及设计方案
2.1 DDS的基本原理
DDS技术是基于采样定理，对高速存储器查表来产生数字形式信号，然后经过数模转换成模拟信号并输出的一种技术。DDS基本结构原理框图包括低通滤波器(LPF)、数模转换器(DAC)、正弦查询表、相位累加器。基本原理框图如图2.1所示。模拟信号的输出一般有正弦波，三角板，方波以及锯齿波等一系列波形，其中正弦波（单频信号）是DDS中比较常用的信号形式，大多数DDS芯片也设计成正弦波输出，同时正弦波也是产生其他波形的基础，通过正弦波和辅助电路即可产生其他波形。
DDS结构中有一个相位累加器，是由N位加法器和N位相位累加寄存器组成。在每一个时钟脉冲的上升沿，将累加寄存器的输出和频率控制字K做加法运算，将结果输入到累加寄存器。这里的累加器输出是指在前一个时钟脉冲来临时输出的相位数据。该数据是反馈信号，把它接到加法器上。相位的范围为0~2π，一个时钟周期，输出的相位值转换为二进制形式，然后在ROM中寻址，正弦查询表的作用是将输出的相位数据转换为与之相联系的数字化正弦幅度，输出为数字化的正弦波形。然后经过DAC进行数模转换，输出模拟信号。低通滤波器的作用是滤除掉不需要的信号频率分量。关系式如下：
由于
f =ω/(2π) =(θ/(2π*(t) （2.1）
其中的(θ为一个采样间隔(t的相位的增量，(t等于采样周期Ts等于1/fs，带入式2.1
得到
fout=(θ* fs /(2π) （2.2）
又因为
(θ=K*(2π)/ 2N （2.3）
将式2.3带入式2.2得到
fout= K* fs / 2N （2.4）
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 信号发生器的近状和发展 1
1.2 直接数字频率合成技术（DDS）的现状和发展 1
第二章 整体分析以及设计方案 2
2.1 DDS的基本原理 2
2.2 DDS的工作特点 3
2.3 系统整体设计框图 3
第三章 系统硬件部分 5
3.1 系统电源 5
3.2 单片机控制模块 6
3.3 数字合成模块 9
3.4 液晶显示电路 16
3.5 低通滤波电路 17
3.6 按键接口电路 18
第四章 软件设计部分 19
4.1 系统程序流程图 19
4.2 键盘扫描流程图 20
4.3 程序控制与分析 20
第五章 系统的调试 25
5.1 系统硬件调试 25
5.2 系统软件调试 25
5.3 软硬件调试及结果 25
结束语 27
致 谢 28
参考文献 29
附录 30
第一章 绪 论
1.1 信号发生器的现状和发展
信号发生器，它是一种常用的实验测试工具。在上世纪40年代出现了用于检测各种接受机的信号发生器，从而使信
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
号发生器变成了定量分析测量的科学仪器，同时也改变了信号发生器以往定性分析测试的功能。信号发生器发展的速度十分慢，主要是在于早期的信号发生器的结构复杂，电路简单，并且功耗较大。在上世纪60年代之后由于函数发生器的出现，使得信号发生器得到了快速发展，那时的信号发生器几乎都是依据模拟电路原理知识来实现功能的。目前，多半的仪器设备开始朝着低功耗，便携式，智能化和多功能方向发展。大部分新型的函数信号发生器都不再采取分立元件的方式，主要是由于采用分立元件所建造的信号发生器的功耗较大，而且最后实物设计的体积也十分地大，另外这些信号发生器输出功率的稳定性以及精确度都不理想。
但我们对于任何一种测量仪器都要全面地去考虑它所适用的领域以及它的性价比。当今社会不同的领域都有着不同程度的需求，使得那些低成本制作的集成芯片信号发生器不可能在短期内被取代，而信号发生器作为电子领域不可或缺的实验测量仪器，也必然会朝着更加完善的方向去发展。
1.2 直接数字频率合成技术（DDS）的近况和发展
DDS技术是在1971年第一次提出的。在当时，由于实践水平有限并没有得到重视。而是到了80年代左右，DDS的优点日益显现出来，变成研究的热点，使得该技术有了质的飞跃。世界各国都在研制DDS产品，其中比较典型的是美国的NI，Agilent，Tektronix公司。泰克公司的AWG联合了DDS技术与传统技术，输出波形质量高。例如AFG3000系列频率分辨率较高、范围较宽，采样速率高达2GS/s，采样频率高达240MHz。Agilent公司电路结构简单，性价比高，比如Agilent33220A，可以产生17种波形，频率可达20MHz,2005年推出的N6030A频率可达500MHz,易于操作，简单灵活。随着研究的深入，针对DDS的周期性产生的杂散频谱，采用了随机抖动法，抑制杂散，使离散谱线均匀化，提高了无杂散动态范围。最近几年国外的公司又发布了DDS专业芯片，比如Qualcomm公司的Q2334和Q2230，ADI公司的AD9955、AD9850、AD9854和AD9959等芯片。
DDS在国内的研究起步算是比较晚的，与国外公司还存在着差距。但随着微电子技术的这几年的新发展，差距有了明显缩小，部分公司也能生产出频率较高的信号源，比如四川一家公司生产的SAI100可以产生正弦波、方波等波，还可以产生任意编辑的所需要波形。DDS技术在不断完善和发展的过程中，与早期产品相比，性能越来越高，克服了很多缺点和不足，这一系列性能良好的产品的应用已经扩展到航天、遥控遥测等电子领域。
第二章 整体分析以及设计方案
2.1 DDS的基本原理
DDS技术是基于采样定理，对高速存储器查表来产生数字形式信号，然后经过数模转换成模拟信号并输出的一种技术。DDS基本结构原理框图包括低通滤波器(LPF)、数模转换器(DAC)、正弦查询表、相位累加器。基本原理框图如图2.1所示。模拟信号的输出一般有正弦波，三角板，方波以及锯齿波等一系列波形，其中正弦波（单频信号）是DDS中比较常用的信号形式，大多数DDS芯片也设计成正弦波输出，同时正弦波也是产生其他波形的基础，通过正弦波和辅助电路即可产生其他波形。
DDS结构中有一个相位累加器，是由N位加法器和N位相位累加寄存器组成。在每一个时钟脉冲的上升沿，将累加寄存器的输出和频率控制字K做加法运算，将结果输入到累加寄存器。这里的累加器输出是指在前一个时钟脉冲来临时输出的相位数据。该数据是反馈信号，把它接到加法器上。相位的范围为0~2π，一个时钟周期，输出的相位值转换为二进制形式，然后在ROM中寻址，正弦查询表的作用是将输出的相位数据转换为与之相联系的数字化正弦幅度，输出为数字化的正弦波形。然后经过DAC进行数模转换，输出模拟信号。低通滤波器的作用是滤除掉不需要的信号频率分量。关系式如下：
由于
f =ω/(2π) =(θ/(2π*(t) （2.1）
其中的(θ为一个采样间隔(t的相位的增量，(t等于采样周期Ts等于1/fs，带入式2.1
得到
fout=(θ* fs /(2π) （2.2）
又因为
(θ=K*(2π)/ 2N （2.3）
将式2.3带入式2.2得到
fout= K* fs / 2N （2.4）
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