DDS信号源的设计电子技术课程设计.docx
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DDS信号源的设计电子技术课程设计
电子技术设计说明书
题目:
DDS信号源的设计
目录
1选题背景2
1.1背景2
1.2设计任务2
2方案论证2
2.1可选方案2
2.2方案比较3
3设计过程3
3.1DDS的基本原理3
3.2基本参数确定4
3.3器件选择4
4各单元电路及其工作原理4
4.1频率控制字产生电路4
4.2相位累加及锁存电路5
4.3正弦函数表6
4.4D/A转换电路7
4.5低通滤波电路8
4.6555脉冲产生电路8
4.7消抖电路9
4.8电源滤波9
5总原理图10
6元器件清单11
7结果分析11
8存在的问题及改进意见12
9总结12
参考文献14
1选题背景
1.1背景
在电子技术日新月异的形势下,信息技术随之迅猛发展。
信息是存在于客观世界的一种事物现象,人们正是通过信息的获取、存储、传输和处理等来不断认识和改造世界的。
而信号作为信息的载体,是指带有信息的随时间或其他自变量变化的物理量或物理现象,信号时使用极为广泛的基本概念,无论是在自然科学领域,还是在社会科学领域都存在大量的应用研究问题。
直接数字频率合成(DirectDigitalSynthesizer,简称:
DDS)技术是一种新的全数字的频率合成原理,它从相位的角度出发直接合成所需波形。
这种技术由美国学者J.Tiercy,M.Rader和B.Gold于1971年首次提出,但限于当时的技术和工艺水平,DDS技术仅仅在理论上进行了一些探讨,而没有应用到实际中去。
近30年来,随着超大规模集成(VeryLargeScaleIntegration,简称:
VLSI)、复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,简称:
CPLD)、现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,简称:
FPGA)等技术的出现以及对DDS理论的进一步探讨,使得DDS得到了飞速的发展。
由于其具有频率转换快、分辨率高、频率合成范围宽、相位噪声低且相位可控制的优点,因此,DDS技术常用于产生频率快、转换速度快、分辨率高、相位可控的信号,广泛应用于电子测量、调频通信、电子对抗等领域。
近年来,已有DDS技术的波形发生器陆续被研制、生产和投入应用。
1.2设计任务
设计一个简单的DDS正弦波信号发生器,有频率增(UP)和频率减(DOWN)两个键,按UP时频率步进增加,按DOWN时频率频率步进减小。
具体要求如下:
输出信号的频率范围为100Hz~1500Hz,步进为100Hz。
要求输出信号无明显失真。
发挥部分:
可输出矩形波和三角波;
进一步扩大输出信号范围或减小步进频率。
2方案论证
2.1可选方案
方案一:
直接模拟合成法。
直接模拟合成法利用倍频(乘法)、分频(除法)、混频(加法与减法)滤波,从单一或几个参数频率中产生多个所需的频率。
该方法频率转换时间快(小于100ns),但是体积大、功耗大。
方案二:
基于单片机完成设计
利用单片机的课编程输出,再配以相应的外设电路即可实现理想波形的输出。
2.2方案比较
方案一:
采用传统的硬件电路组合实现,锻炼学生对数模电知识的掌握能力,学以致用。
但是其可靠性差、灵活性小、线路复杂。
方案二:
采用89C51单片机为核心实现,单片机处理速度使DDS的频率范围非常有限,加上单片机本身端口较少,对于一个外部频率选择键盘输入、ROM地址查表输出以及LED数码管显示的系统来说,端口资源变得非常紧张。
且现在对单片机知识掌握的不是很好。
考虑到这次课程设计也是对所学数模电知识及实际动手能力结合的一次考验,且时间充足,题目要求较简单,所以选择方案二。
3设计过程
3.1DDS的基本原理
DDS的原理框图如图3-1所示。
图中相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制字(TUNINGWORD)所决定的相位增量M累加一次,如果记数大于,则自动溢出,而只保留后面的N位数字于累加器中。
正弦查询表ROM用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换,然后送到DAC中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量,最后通过滤波器输出一个很纯净的正弦波信号。
基本原理如图3-1:
∑
图3-1DDS基本原理图
由于相位累加器是N比特的模2加法器,正弦查询表ROM中存储一个周期的正弦波幅度量化数据,所以频率控制字M取最小值1时,每个2n时钟周期输出一个周期的正弦波。
所以此时有f0=fc/2n,式中f0为输出信号的频率,fc为时钟频率,n为累加器的位数。
更一般的情况,频率控制字是m时,每2n/m个时钟周期输出一个周期的正弦波。
所以此时有:
f0=(m×fc)/2n,式中f0为输出信号的频率,fc为时钟频率,n为累加器的位数,m为频率控制字。
这个是DDS系统最基本的公式之一。
由此可以得出:
输出信号的最小频率(分辨率)为:
f0min=fc/2n
输出信号的最大频率为:
f0max=(Mmax×fc)/2n
DAC每信号周期输出的最少点数为:
K=2n/Mmax
当N比较大时,对于很大范围内的M值,DDS系统都可以在一个周期内输出足够的点,保证输出波形失真很小。
3.2基本参数确定
本次课程设计选用8位的相位寄存器,即N取8。
则可以算出响应的参数:
Fc=f0min×2n=100HZ×28=25.6KHZ
频率控制字为从1~15
3.3器件选择
1)需要产生15个不同的频率控制字,则选用16可逆计数器74LS193
2)相位累加器采用加法器与寄存器结合的方式,选用市面常用的74LS283两片级联成八位加法器,寄存器选用8为寄存器74HC574。
3)存放正弦函数表采用可电擦除的E2PROM,本次选用AT29C512。
4)D/A转化器采用市面常见的DAC0832。
同时选用与DAC0832配合使用的运算放大器NE5532。
4各单元电路及其工作原理
4.1频率控制字产生电路
图4-1计数电路
如图4-1,使用十六进制可逆计数器74LS193产生0~15的频率控制字,预置数的四个脚(15、1、10、9脚)统一置低电平(接地),预置数脚(11脚)接高电平,计数增和计数减(5脚和4脚)分别接两个按键,复位端(14脚)接如图复位电路,输出端(3、2、6、7脚)接到下一级电路,进位和借位端(12脚和13脚)不接。
此电路可以通过按键来使输出端产生想要的频率关键字。
4.2相位累加及锁存电路
图4-2相位累加电路
如图4-2,此电路中的74LS283为四位二进制超前进位全加器,不能满足设计要求,可以通过两片组合成八位加法器,如图把U2的进位端输出(9脚)接到U3的进位输入端(7脚)即可。
U2的A输入端接上级电路的四位输出,U3的A输入端接低电平。
两片分别四位输出组合成八位输出接到八位寄存器74LS574的输入端,再从寄存器的八位输出端反接回来到U2和U3的B输入端,这样就形成了相位累加的过程,其中可以通过寄存器74LS574的时钟控制端(11脚)的频率来控制累加的快慢。
此时可以在寄存器的输出端的各个管脚上测得不同频率的方波。
如图4-3:
图4-3锁存器第四位输出波形
4.3正弦函数表
图4-4E2PROM
存放正弦函数表的器件选择可电擦除的E2PROM,它为存储容量:
512KB。
其接线如图4-4,共十六位输入,去其低八位作为相位寻址线,共给片内写入256个正弦函数点供气查询输出。
其他脚接低电平。
如图4-5,正弦函数表为:
图4-5正弦函数表
4.4D/A转换电路
图4-6D/A转换电路
如图4-6,D/A转换选择的是通用的DAC0832,并采用其经典接法与运放相接,其中八位数字量输入端接上级E2PROM的八位输出,IOUT1和IOUT2接运算放大器将电流量转换成电压量,最终从运放的1脚输出。
此时即可测得正弦波。
如图4-7:
图4-7输出波形
4.5低通滤波电路
图4-8滤波电路
如图4-8,从运放输出的信号中含有许多噪声信号,根据设计要求可以采用低通滤波器来滤除输出信号中的高频分量。
4.6555脉冲产生电路
图4-9555电路
电路中给定C4用陶瓷电容102,C5用陶瓷电容103,需要的输出方波的频率为f=25.6KHZ,则:
T=1/f=0.039×10-3s
需要占空比为q=50%的方波,即R6=R5
C4=10×102pF=10-9F
T=T1+T2=(R5+2R6)Cln2=0.039×10-3
可以推得:
R5=R6=(0.039×10-3)/(3×10-9×0.69)=18.8KΩ
4.7消抖电路
图4-10按键消抖电路
由于按键存在机械抖动,导致电平出现抖动从而使计数器的计数出现抖动跳变,多以需要对按键加上消抖电路。
4.8电源滤波
图4-11电源滤波电路
整个电路是由直流学生电源供电,而电路本身会对电源的输出造成影响,在实际电路中的表现就是会使电路的输出出现抖动。
加上电源滤波后可以有效的改善这一点。
5总原理图
图4-12总原理图
6元器件清单
元件名称
型号
数量
备注
触发器
74LS14
1个
计数器
74LS193
1个
加法器
74LS283
2个
锁存器
74HC574
1个
E2PROM
AT29C512
1个
D/A转换器
DAC0832
1个
运算放大器
NE5532
1个
555模块
NE555
1个
普通电阻
10K
2个
普通电阻
1K
1个
普通电阻
200欧
2个
电位器
20K
2个
点位器
10K
1个
陶瓷电容
103
6个
电解电容
10uF
2个
陶瓷电容
102
1个
按键
3个
底座
DIP-8
2个
DIP-16
4个
DIP-20
2个
DIP-32
1个
导线
1mm
若干
表6-1元件清单
7结果分析
图7-1输出波形
在Proteus中的仿真结果如图7-1:
可以通过按键调整输出正弦波的频率,可以从100HZ到1500HZ之间的调整,步进为100,幅度可在2.5V到3V。
当UP键按下时频率加100HZ,当DOWN键按下时频率减100HZ,复位键按下时频率为0HZ。
电路实测效果良好,达到设计要求。
8存在的问题及改进意见
这个设计方案原理比较简单,元器件不太多,实现起来也不算太难。
存在的问题就是输出的信号不够强,带负载能力不强,当在其后加上负载时,输出特性就会发生改变。
如果在后面再加上一级功率放大电路,效果可能会好一些。
由于时间原因,后级的功放未能做。
还有一个问题就是还可以再继续完成发挥部分的题目要求,即输出方波和三角波。
理论上可以通过增加一个滞回比较器实现正弦波转方波,再给后面添加一个积分运算电路即可实现方波再转三角波。
当然也可以选择在E2PROM中存入方波和三角波的函数表即可实现方波和三角波的输出。
但是由于时间原因,发挥部分的电路没有连接。
9总结
这次的课程设计终于完成了,我从拿到题目到开始构思方案再到整个作品的完成历经了两个多月,这对于一个数电类的课程设计来说拖的时间太长了,但是我是第一次完完整整的设计、焊接、调试一个电路,在此期间经历了一个新手应该经历的大部分问题,并顺利解决了问题。
总的来说还是收获不少。
我拿到这个题目的时候还不知道DDS为何物,上网查了一下了解其基本原理后才开始查资料,整理方案。
这些前期的准备工作就用了一个周。
焊接的时候,我没有一次性全部焊完,而是焊完一个单元电路就检测一次,由于是数电部分比较多,所以各级检测起来都相对比较容易。
一直到最后整板的完成。
全部焊接好了之后出现的问题一是抖动,二是用示波器检测时示波器上频率的度数不对。
就这两个问题耗了我好长时间。
由于刚开始焊的时候没有焊接555电路,而是直接用信号源给的脉冲信号,引入的干扰比较大,导致示波器度数完全不对,自己搭建555电路产生脉冲信号接上后,示波器上就可以读出数值了。
这个原因我觉得和电源滤波的原理比较相似,也是由于电路对脉冲信号源的输出造成了影响,噪声信号一直到了最后的输出,所以示波器上检测的可能是其他分量的频率。
刚开始我们也没有消抖电路,整板焊完后再焊上的,但还是一直能达到理想的效果。
后来决定重焊。
第一次焊的时候导线比较乱,查线也不好查,在第二次焊的时候我走线都非常用心,布线整整齐齐。
焊接好之后还是有抖动,请教老师之后果断加上电源滤波,效果立马就好了。
至此,所遇到的大问题才算解决。
这个题目虽然属于数电类,但是在消抖,滤波的地方也用到了模电知识,我的感觉就是对电容的理解把握越好就越顺手。
电容在里面起到了至关重要的作用。
通过这次课程设计,再一次把我们只学课本,缺乏动手的问题暴漏了出来,实践需要理论的指导,但是理论也需要实践的巩固,二者要兼顾。
作为一名大学生,这是必备的素质。
在以后的学习中要多的去动手做一些东西,一次来提高自己的动手能力并巩固知识。
参考文献
【1】阎石.数学电子技术基础.清华大学.高等教育出版社.2006
【2】康华光.电子技术基础(模拟部分).华中科技大学.高等教育出版社.2006
【3】马全喜.电子元器件与电子实习.机械工业出版社.2006
【4】何杜成、袁跃进.电机-光电显示-改进应用电路.山东科学技术出版社.2007
【5】李志健.数字电子技术基础实验任务书.陕西科技大学教务处.2007
【6】杨刚、周群.电子系统设计与实践.电子工业出版社.2004
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- 关 键 词:
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