采用DDS（数字频率合成法）设计信号发生器，完成设计方案

函数信号发生器的设计
一、摘 要
函数信号发生器以单片机(AT89C51)为中心控制系统由晶体振荡电路、地
址产生电路(直接数字频率合成DDS)、波形产生电路、控制电路及串行通讯电路
组成。采用了直接数字频率合成技术较大幅度的提高了输出波形的频率可满
足输出频率1Hz-10MHz 的变化范围。波形数据的存储采用双端口RAM,使波形
数据的输入输出相对独立避免了系统总线隔离,使系统简单可靠。采用串行通
讯电路可以直接方便的通过上位机改变波形的频率,确定输出波形的类型。
关键词函数信号发生器AT89C51DDS直接数字频率合成

二、设计要求
它的主要指标及功能要求如下
1,输出波形 正弦、方波、三角波
2,输出频率范围 1Hz-10MHz
3,频率分辨率 1Hz
4,幅度 1V-5V

三、DDS的原理 

DDS是一种应用数字电路产生波形的方法其主要由相位累加器、正弦波形
表、D/A 转换器、低通滤波器组成工作原理如图2-1。在系统时钟的控制下
将频率控制字K送到相位累加器更新相位累加器的数据然后把相位累加器中
的数据N作为地址对正弦ROM表进行查询通过改变相位增量就可以改变DDS
的输出频率值。由波形ROM存储器取出的波形量化数据经过A/D转换器转换成
模拟电压/电流再经过低通滤波器将波形中的高次谐波滤除得到DDS的输出
频率.

四、相位累加器的逻辑设计
DDS系统的核心是相位累加器它由循环加法器、地址累加器和相位控制器
构成每来一个时钟脉冲加法器将加法器的累加数据和频率控制字K相加把
相加后的结果送至累加数据寄存器以使加法器在下一个时钟的作用下继续与相
位增量相加。这样加法器在系统时钟的作用下进行线性相位累加当相位加
法器累加满时就会产生一次溢出完成一个周期性的动作并产生一个分频脉冲
这个脉冲的频率就是输出的信号频率乘以地址累加器溢出值的乘积。在分频脉冲
的作用下地址累加器累加产生累加的地址值溢出时的周期就是波形的周期。
在相位控制器输入的信号中加上相移字当相移字与相位累加数据之和大于溢出
值时需将和值减去溢出值这样就可以方便地动态调节相位了。

五、DDS性能特点
DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集
成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平为系
统提供了优于模拟信号源的性能。
(l)输出频率相对带宽较宽
输出频率带宽为50%fc(理论值)。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以
及对输出信号杂散的抑制实际的输出频率带宽仍能达到40%fc。
(2)频率转换时间短
DDS是一个开环系统无任何反馈环节这种结构使得DDS的频率转换时间
极短。事实上在DDS的频率控制字改变之后需经过一个时钟周期之后按照新
的相位增量累加才能实现频率的转换。因此频率转换的时间等于频率控制字
的传输时间也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高转换时间越短。DDS
频率转换时间可达纳秒数量级比使用其他的频率合成方法都要短数个数量级。
(3)频率分辨率极高
若时钟fc的频率不变DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N决定。只
要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前大多数DDS
的分辨率在1Hz数量级许多小于lmHz甚至更小。
(4)相位变化连续
改变DDS输出频率实际上改变的每一个时钟周期的相位增量相位函数的
曲线是连续的只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变因而保持了信号相位
的连续性。

(5)输出波形的灵活性
只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控AM即
可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。
另外只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据就可以实现各种波形输出
如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正
弦和余弦函数表时即可得到正交的两路输出。
(6)其他优点
由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路易于集成功耗低、体积小、重
量轻、可靠性高且易于程控使用相当灵活因此性价比高。

六、AD9850的主要性能指标
(1) 系统参考时钟频率为125MHz。
(2) 频率控制字采用32位二进制码。
(3) 当系统时钟频率fc=125MHz时频率分辨率小于0.03 Hz。
(4)寄生频率输出小于84dB。
(5) 采用低功耗的CMOS技术:当频率f=125MHz时功耗小于380mW;当频率
人=110MHz时功耗小于155mW。
(6) 频率转换时间10个时钟周期。
(7) 当40MHz模拟信号输出时D/A转换电路输出的无杂散动态范围SFDR大
于50dB。
(8) 简单的接口控制技术:并行数据输入或串行数据输入的加载模式
(9)具有相位调整功能。
(10)具有功率下调功能如果输出功率大于额定值可自动调节。
(11)数控ADC译码器。