50MHz波形发生器模拟输出通道设计.doc

1、摘要随着数字集成电路、微电子技术和EDA技术的深入研究，DDS技术以其有别于其它频率合成技术的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的佼佼者。根据题目要求，我们以单片机C8051F020芯片和AD9707芯片为核心，辅以必要的模拟电路，设计一台信号波形发生器，使之能产生正弦波、方波和三角波。该系统主要由控制模块、信号模块、显示模块、键盘输入模块构成。仅用单片AD9707就实现了直接数字频率合成技术（DDS），产生幅度稳定的正弦波。输出的正弦波经过比较电路来实现方波的输出，而三角波则是在方波的基础上通过接入积分电路来实现的。单片机对内部寄存器控制，AD9707就可以产生一个频谱纯净、频率和相位都

2、可编程控制且稳定性很好的模拟波形，整个系统结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强。通过键盘输入、LCD显示形成人机交互界面，实现对输出信号的控制。模拟通道是整个波形发生器最重要的组成部分之一，波形发生器模拟通道的带宽是评价其性能的主要指标。随着波形发生器的飞速发展，其模拟通道带宽成为制约其发展的瓶颈之一。因此，设计具有噪声更低、带宽更高、交直流特性更好的模拟通道是波形发生器研究的重要内容。关键词：波形发生器 模拟通道 DDS AD9707 C8051F020Title 50MHz channel analog output waveform generatordesignAbstractAs

3、 digital integrated circuits，microelectronic technology and in-depth study of EDA technology, its technology is different from other DDS frequency synthesizer technology and the superior performance characteristics of a modern frequency synthesis technology leader. Under the title, we C8051F020 micr

4、ocontroller chip and AD9707 chip as the core, supplemented by the necessary circuit simulation, design a signal waveform generator, so that it can produce sine, square and triangular wave. The system mainly by the control module, signal modules, modules, a keyboard input module. Just to achieve a si

5、ngle-chip AD9707 Direct Digital Synthesis（DDS）, resulting in steady increase sine wave. The sine wave output circuit comparison to the output of square, triangle and square wave is on the basis of the access points through the circuit to achieve. SCM internal control registers, the AD9707 can produc

6、e a spectrum of pure, programmable frequency and phase control and stability are good simulation waveforms, the whole system compact, simple circuit, powerful, scalable and strong. The keyboard input, a LCD display interactive interface, the output signal of the control. Analog channel digital oscil

7、loscope is the most important components of the analog channel digital oscilloscope. Bandwidth of the oscilloscope to evaluate the performance of key indicators. With the rapid development of digital oscilloscope, the analog channels with Wide as one of the bottlenecks restricting its development. T

8、herefore, the design has lower noise, higher bandwidth, AC and DC characteristics and better analog channel digital storage oscilloscope is an important part of the study.Keywords：Waveform generators Analog channel DDS AD9707 C8051F020目录1 绪论41.1课题背景41.2 本文涉及的主要技术92 系统设计102.1方案论证102.1.1 信号模块102.1.2控制

9、模块112.1.3滤波器模块122.1.4 信号处理模块122.1.5系统各模块的最终方案122.2 理论分析与计算122.2.1 频率精度计算122.2.2 DDS的理论分析132.2.3 DDS的参数计算143 硬件系统设计163.1 硬件元器件的选用163.1.1 C8051F020控制芯片简介163.1.2 AD9707简介及接口电路173.2 单元硬件电路设计193.2.1 电源电路193.2.2 低通滤波电路193.2.3 衰减电路213.2.4 偏移电路223.2.5 放大电路224 软件系统设计244.1程序流程图245 系统分析及定标275.1 指标测试275.1.1 误差分

10、析275.1.2 测试仪器275.2 信号参数定标275.2.1 定标原理275.2.2 定标方法286 结束语30致谢31参考文献32附录A 硬件电路图34附录B 对AD9707编程的主要源程序清单351 绪论1.1课题背景波形发生器是工程测试及试验中常会用到的一种电子仪器。传统的波形发生器多采用模拟分离元件来实现，产生的波形种类受到电路硬件的限制，其灵活性和稳定性也相对较差。近年来，随着EDA1技术和大规模集成电路的发展，使得复杂的电路有了新的实现途径，从而使得波形发生器的性能及功能有了更大的发展。在一些特殊的场合，有时需要具有延时输出的多路同频信号来对具有多个测试目标的系统进行测试。通常

11、采用单通道波形发生器分别测试各个目标，实现比较麻烦。 在电子技术领域，常需要频率、波形、幅度都可以调节的电信号，信号发生器就是用于产生这种电信号的电子测量仪器。在六七十年代，信号发生器开始迅速发展，这个时期多采用模拟电子技术，利用分离元件和模拟集成电路构成，靠手动转换量程，不仅体积大，功耗大，而且精度很难保证。如低频信号发生器，一般有RC或桥式振荡电路组成，其频率稳定度只能做到10-4/天以下；高频信号发生器一般由LC振荡器组成，其频率稳定度能做到10-5/天2。七十年代后，微处理器的出现，可以利用微处理器3、A/D/和D/A等器件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器

12、多以软件为主，其实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，输出频率主要由CPU的工作速度决定的，如果想提高频率，可以改进软件程序减少其执行周期或提高CPU的时钟周期，但这些办法时有限度的，当时能够产生正弦波的有效频宽不会超过1MHz，要获得比较平滑的低失真度的波形，频率一般不会超过10KHz。八十年代后，现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大的促进了数字化技术在电子测量仪器的应用，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，任意波形发生器出现了，它的功能远比函数发生器强。任意波形发生器4是在1975年开发成功

13、的，从此，信号发生器产品增加了一个新品种。在任意波形发生器作为测量用信号激励源而进入市场之前，为了产生非正弦波信号，已使用函数发生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等几种特殊波形。声音和振动分析需要复杂调制的信号源，以便仿真真实的信号，只有借助任意波形发生器，例如医疗仪器测试往往需要心电波形，任意波形发生器很容易产生各种非标准的振动信号。早期的任意波形发生器主要着重音频频段，现在的任意波形发生器已扩展到射频频段，它与数字示波器（DSO）密切配合，只要数字示波器捕获的信号，任意波形发生器就能复制出同样的波形。在电路构成上，数字示波器是模拟/数字转换，任意波形发生器是数字/模拟的逆转换，目前任意波形

14、发生器的带宽达到2GHz，足够仿真许多移动通信、卫星电视的复杂信号。任意波形发生器多采用直接数字频率合成（DDS）技术设计5。所谓频率合成技术是指由一个或多个具有高稳定度和高精度的频率参考源，通过在频率域中的线性运算得到同样稳定度和精度的大量离散频率的技术，完成这一功能的装置被称为频率合成器。频率合成器的应用范围非常广泛，特别是在通信系统、雷达系统中，频率合成器起了极其重要的作用。随着电子技术的不断发展，频率合成器的应用范围也越来越广泛，对其性能要求也越来越高。频率合成器的主要技术指标如下。1、输出频率范围指的是输出频率的最小值和最大值之间的变化范围。2、频率稳定度指的是输出频率在一定时间间隔

15、内和标准频率之间的偏差，分为长期、短期和瞬间稳定度三种。3、频率分辨率指的是输出频率的最小间隔。4、频率转换时间指的是输出由一种频率转换为另一种频率的时间。5、频谱纯度频谱纯度以杂散分量和相位噪声来衡量，杂散分为谐波分量和非谐波分量两种，主要由频率合成过程中的非线性失真产生；相位噪声是衡量输出信号相位抖动大小的参数。6、调制性能指的是频率合成器是否具有调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）等功能。频率合成技术在20世纪30年代开始提出，其发展已经有70多年的历史。在这70多年中，大致可以分成三个发展阶段：直接式频率合成技术，锁相环频率合成技术和直接数字频率合成技术（DDS）。直接式频率合成技

16、术就是用倍频、分频和混频电路对一个或几个基准频率进行加、减、乘、除运算产生所需要的频率信号，并通过窄带滤波器选出，这是最5先出现的一种频率合成类型的信号源。其原理简单，易于实现，频率范围宽，频率转换速度快，可以达到微秒级，频率分辨率较高（可达10Hz），工作稳定可靠但是寄生输出大，需要大量的模拟元件，结构复杂、体积大、成本高，不能产生任意波形。锁相环（简称PLL）频率合成技术也叫间接式频率合成，所使用的电路较直接式频率合成简单，它主要是将含有噪声的振荡器放在锁相环路内使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。锁相环频率合成技术提供了一种从单个参考频率获

17、得大量稳定而准确的输出频率的方法，并且频率输出范围宽，电路结构简单，成本低。但是，锁相环频率合成技术也有其固有缺点。由于它采取闭环控制，系统的输出频率改变后，重新达到稳定的时间也就比较长，一般为毫秒级，所以锁相环频率合成器要想同时得到较高的频率分辨率和转换率非常困难，同样也不能产生任意波形。直接数字频率合成技术的基本原理就是利用采样定理，按一定的相位间隔将待产生的波形幅度的二进制数据存储于高速存储器作为查找表，用参考频率源（一般为晶体振荡器）作为时钟，用频率控制字决定每次从查找表中取出波形数据的相位间隔，以产生不同的输出频率，对取出的波形数据通过高速D/A转换器来合成出存储在存储器内的波形。与

18、其它频率合成方法相比较，直接数字频率合成技术的主要优点是易于程控，输出信号频率转换时相位连续，输出频率范围宽、稳定及准确度高，其频率准确度一般可达到10或更好水平。分辨率高，其分辨率可以达到10Hz，甚至更低，而且频率转换速度快，可小于100ns。除此之外，由于DDS技术是利用查表法来产生波形，只要改变查找表中的数据，就可以产生任意波形。所以它不仅能产生正弦、余弦、方波、三角波和锯齿波等常见波形，而且还可以根据需要利用各种编辑手段，产生传统函数发生器所不能产生的真正意义上的任意波形。DDS技术具备许多优点，近二十年来，发展迅速，各国都在研制DDS产品。其中以AD公司的产品比较有代表性，如AD9

19、850、AD9851、AD9852、AD9858等。其中AD9858的系统时钟达到1GHz，而AD9852可以产生FSK、PSK、线形调频以及幅度调制信号，其相位累加器达到了48位。基于DDS技术的任意波形发生器发展同样非常迅速，以Tektronix公司和Agilent公司为代表的国际电子测量仪器公司，其任意波形发生器产品已经形成系列。目前，Tektronix公司的台式任意波形发生器AFG3000系列的采样频率为2GSa/s，输出信号最高频率为240MHz，Agilent公司的PXI模块的任意波形发生器采样率为1.25GSa/s，输出最高频率为500MHz，台式的任意波形发生器33250A采样

20、率为200MSa/s，33220A的采样率为50MSa/s，输出最高频率为20MHz。任意波形发生器的应用非常广泛，在原理上可仿真任意波形，只要数字示波器或其它记录仪捕捉到的波形，任意波形发生器都可复制出，特别有用的是仿真单次偶发的信号，例如地震波形、汽车碰撞波形等等。以下是几种尖端技术中任意波形发生器产生的复杂测量信号：第一、雷达信号仿真雷科公司的任意波形发生器有调幅、调频和脉冲三组输出，组合调制信号输入微波信号发生器产生复杂的雷达信号模式，用于仿真飞行器的雷达信令。由于三组调制信号有严格的同步和低的相位噪声，使这种序列信号既稳定又相位噪声极低，序列内可插入触发、波形循环、断点而不会失去同步

21、，从而扩展成为复杂波形产生设备。第二、卫星音调仿真任意波形发生器和微波信号发生器一起可产生通信卫星的音调仿真，用于测试地面接受站特性。任意波形发生器驱动上变频器在适当频率下产生几种音调，在被测通道的测试序列插入空白段，用于播送实况信号。任意波形发生器的数量视音调数目和间隔而定。这种测试方法同样可用来测试在同一通信链路内收发多个数据流的电信系统。第三、微机电系统的驱动微机电系统有机械、光学、电学的多种信号，需要几台任意波形发生器仿真激励和执行机构的复杂信号，信号之间有严格的定时关系。第四、磁盘驱动器仿真磁盘驱动器产生的同步数字和模拟信号可由任意波形发生器仿真，用于读/写数据的测试。这种混合信号仿

22、真可作为平板LCD、等离子高清晰度电视等的测试信号。第五、数字通信的仿真第三代移动通信属于多制式多种信号的综合，对于这种包括语音、图像和数据的复杂调制信号，AWG可发挥积极作用和产生非常逼真的信号。第六、任意波形发生器复制数字示波器的偶发信号利用两种仪器的互补特点，任意波形发生器可复制出数字示波器的很难捕捉到的毛刺信号。由于任意波形发生器的仿真功能越来越完善，已成为通信、雷达、导航、超声、自动测量等复杂波形的信号源。任意波形发生器是近年来飞速发展起来的一类通用信号源，与传统的信号源相比，任意波形发生器最大的优势在于它产生信号的方式灵活。除了可以生成正弦、方波等标准信号外，它还能够通过波形编辑软

23、件，模拟被测产品在实际条件运行时所遇到的“真实世界”信号。目前，任意波形发生器已经广泛应用于磁盘驱动器测试、串行数据通信、基带/IF调制测试、汽车防抱死、发动机控制、变频器和生物医学模拟等等。很多的任意波形发生器使用一种称为“直接数字合成”（DDS，Direct Digital Synthesis）的信号生成技术来产生波形6。DDS是从上世纪七十年代发展起来的一种频率合成技术，它采用数字处理模块，参照一个频率固定且精确的时钟源，产生频率、相位均可调的输出信号。相对于直接法、锁相法等传统信号合成方法，DDS技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、电路简单且易于控制的优点。因此基于DDS技术的任意波

24、形发生器出现虽晚，但发展迅猛，市场份额日见扩大，其状况和地位有如示波器家族中的数字存储示波器(DSO)，已开始逐步取代传统的函数发生器。我国研制任意波形发生器是从90年代开始的，并取得不小的成果。如北京航天测控技术开发公司生产的基于VXI总线的任意波形发生器AMC2423，采样率为16MSa/s，垂直分辨率为16位，波形存储深度为32768个点。南京盛普仪器科技有限公司的F40型函数发生器的主波形输出频率达到40MHz，存储波形长度为4096个点。从国内目前的研制水平来看，在任意波形发生器的最高采样率，输出正弦信号频率、谐波失真等指标方面上和国外还有较大的差距。因此，加强对任意波形发生的研制有

25、着重要意义。本论文的工作，就是结合该项目的具体任务，设计一个模拟信号处理通道。信号的合成主要在数字部分完成，而信号的处理则主要是在模拟通道内进行的。模拟通道位于信号通道的末端，对信号进行滤波和波形处理。数字部分不容易产生的波形也是在模拟通道里完成的。模拟通道在很大程度上保证了输出信号的质量，所以它的设计是整个设计过程中一个重点和难点。任意波形发生器(AWG)通常提供较深的存储器，较大的动态范围以及较宽的带宽，来满足各式各样的应用，包括通信、半导体和系统测试。AWG接收来自PC的用户自定义数据，并利用这些数据来生成任意波形。AWG用户可以将想要产生的一系列波形下载到仪器所带的存储器中。通常，可以

26、存储实际的波形和形成这些波形所需的波形序列指令。 现在请看一下AWG的基本架构。要从AWG上产生一种波形，必须先创建任意波形本身。像模拟波形编辑器，调制工具，以及国家仪器公司(NI)的Lab VIEW这类的软件工具都能够简化这些波形的创建。这些波形和其波形序列指令都存在仪器所带的RAM中。 波形生成序列通常从 TTL硬件触发器开始。各种波形由许多单个的样本构成，而生成采样率由仪器的采样时钟确定。从内部采样时钟时基(100 MHz VCXO)中导出采样时钟有几种不同模式，包括DDS定时Div/N时钟，以及几种提供不同外部时钟的模式。另外，对于用于仪器的锁相环的频率基准，也有几种不同的选择。 波形

27、通过存储器到数模转换器(DAC)，数模转换器将数字采样样本转换成所需的模拟输出波形。在DAC之前，样本被数字滤波，而经过DAC之后，模拟输出又通过一个模拟滤波器。这些数字和模拟滤波器通过插值来增加采样率，并通过谐波低通滤波器滤除寄生信号，从而极大地改进了信号的质量。通常，这些滤波器都能够软件编程。 AWG允许用户规定波形片断，并通过重复来构建复杂波形。由于AWG将波形存储在自身存储器中，故波形长度受限。波形循环帮助产生具有多次重复的子段的信号。对波形段进行循环改善了存储效率，并增加了波形的持续时间。 AWG还可以规定波形中不同的级，每级都可以包括不同的波形段和不同的循环次数。AWG依次产生每一

28、个定义的波形段。通过组合先后顺序和循环次数，就能够利用很小的存储器容量来构建非常复杂的波形。AWG可以为每段指定不同的波形片段，不过不同段之间的过渡点上的相位不一定是连续的。 最后，许多AWG都具有一个仿函数发生器功能。此时，当要求输出一个标准函数波形时，可以先用软件来产生，并下载到AWG上，然后再由AWG输出。这就不同于下面将要介绍的全DDS技术。1.2 本文涉及的主要技术直接数字频率合成技术（direct digital synthesizer，DDS）是利用数字可控振荡器技术，直接以数字信号控制产生高精度频率信号，频率分辨率可达1Hz，与传统的直接频率合成（DS）、锁相环间接频率合成（P

29、LL），FNPLL合成和PSG单环路合成相比，具有频率切换时间极短、频率分辨率高、相位连续、信噪低、结构简单、体积小、成本低等优势。鉴于DDS技术有如此优越的条件，现在大多数设备、系统都采用了这种技术。当然，作为通信系统中必不可少的信号发生器也越来越多地容纳了该技术，本文将要介绍的是基于ADI公司生产的DDS芯片AD9707的信号发生器的设计方案。AD9707是采用先进的DDS技术开发的高集成度DDS器件。其主要特性如下：同时支持最高175 MSPS的更新速率；内含14位DAC；相位、幅度可编程；有32位频率转换字；可用串行I/0控制；内置超高速模拟比较器；可自动线性和非线性扫频；内部集成有R

30、AM；采用1.8V电源供电；可4-20倍频；支持大多数数字输入中的5V输入电平。控制芯片选择C8051F020，通过对AD9707编程实现正弦波，该输出的正弦波能达到50MHZ以上，输出的波形失真率极低。用LCD和键盘作为良好的人机界面，用键盘输入要显示的频率，LCD显示频率的大小。通过对AD9707编程实现输出的方波能达到50MHZ以上且输出的波形失真率小，波形纯真。通过对AD9707编程实现输出的三角波，经实验观察可以看到，输出的波形正常，能达到50MHZ以上，输出的波形失真率低。2 系统设计2.1方案论证2.1.1 波形处理模块方案一：采用专用信号发生器。MAX038是美信公司的低失真单

31、片信号发生器集成电路，内部电路完善。使用该芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，但频率精确度和稳定度都难以达到要求。方案二：采用直接数字合成（Direct Digital Frequency Synthesizer，简称DDS或DDFS）7。用随机读/写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求，以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存在存储器内的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形。由于DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短（可小于20微秒），频率分辨率高，全数字化结构便于集成以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程

32、控，因此，可以完成满足本题目的要求。DDS的原理框图2-1所示。图2-1 DDS原理框图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、输出可平衡过渡且相位可保持连续变化。方案论证：从题目要求来看，方案一可以满足题目合成频率范围的要求，但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比信号发生器更容易精确控制，所以我们选择DDS方案进行频率合成。2.1.2控制模块方案一：采用89C51 芯片单片机8，现在市场很多成品都在用它，但89C51最大的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能。对于短短几天的比赛时间，用编程器对它进行下载程序

33、，是非常浪费时间和精力的，如果将来要对产品进行升级的话也是非常困难的。因此不考虑用80C51作控制模块的主芯片。方案二：C8051F020是 Cygnal 出的一种混合信号系统级单片机（片上系统SOC），片内含CIP-51的CPU内核，它的指令系统与MCS-51完成兼容；其中的C8051F020单片机含有64KB片内Flash程序存储器、4352B（256B+4KB）的RAM；8个I/0端口共64根I/0口线；一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器；2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传

34、感器等部分；C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2.7-3.6V（端口I/0，RST和JTAG引脚的耐压为5V）。综合上述，根据我们题目的要求，用89C51，不能很好的达到题目指标。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大的提高，且D8051F020的各种特点和所能达到的指标，对我们这个题目非常合适，因此最终采用C8051F020作为主控制芯片我们自制了单片机最小系统。2.1.3滤波器模块无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L和C组成。有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益

35、和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。无源滤波装置由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；由于SVC的调节范围要由感性区扩到容性区，所以滤波器与动态控制的电抗器一起并联，这样既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。国际上广泛使用的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，在现阶段广泛用于配电网中，

36、但由于滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素，随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器（Active PowerFliter，缩写为APF）。APF即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。它与无源滤波器相比，有以下特点： a不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理； b滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险； c具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可

37、控性和快速响应性等特点。综上，选择有源滤波器。2.1.4 信号处理模块衰减电路实现两级衰减且为可选择的发射集跟随放大器的衰减电路。偏移电路实现把输入的直流电压和一个交流电压进行叠加。放大电路实现了信号的放大。综上，可完成信号的处理。2.1.5系统各模块的最终方案经过仔细的分析与论证，决定系统各模块的最终方案如下：信号模块：采用AD9707；控制模块：采用C8051F020控制；信号处理模块：采用模拟电路；输入和显示部分：采用矩阵键盘和LCD；单片机C8051F020用于控制系统中LCD显示、键盘输入的确认及控制信号的输出。系统基本框图如图2-2：图2-2 系统基本框图2.2 理论分析与计算2.

38、2.1 输出信号频率精度分析采用美国AD公司先进的DDS直接数字频率合成技术生产的高集成度产品AD9707芯片。AD9707拥有最大为175MSPS的更新率，内置14位高速高精度DAC，1.8V低功耗工作，自带频率设置，幅度设置，相位设置，PSK，FSK，扫频等功能，并有10244字节的RAM。其频率字为32位，故频率绝对精度为175000000232=0.04HZ（系统时钟为175M），当频率高于1KHZ时，相对精度为0.4x10-4。2.2.2 DDS的理论分析DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率

39、控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。DDS的基本原理是，在高速存储器中放入正弦函数相位数据表格，经过查表操作，将读出的数据送到高速DAC产生正弦波。高性能DDS芯片由于其AD9707内部集成有RAM，因此，利用RAM的存储功能，能够产生频率分辨高，波形性能好，调制速度高达1 MHz的调频波，该速度是其他DDS芯片的几十几百倍，因而可广泛应用于数字调制系统的设计之中。可编程DDS系统原理如图2-3，DDS 系统基本波形图如图2-4。图2-3 可编程DDS系统原理图2-4 DDS 系统基本波形图N：相位累加

40、器位数 M：相位累加器实际对ROM寻址的位数S：ROM输出正弦信号（离散化）的位数位数：相位累加器舍去的位数，满足位数=N-MDDS 系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、数/模转换器和低通滤波器组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。每来一个时间脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据想加，把想加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为D

41、DS的输出频率。正弦查询表是一个可编程只读存储器（PROM），存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0-360。范围的一个相位。将相位寄存器的输出与相位控制字相加，得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动DAC，输出模拟信号。低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。2.2.3 DDS的参数计算根据DDS的结构，可以推出以下一些结论。频率控制字K唯一地确定一个单频模拟余弦信号s(t)=cos(2t)频率f （2-1）当K=1时，DDS输出最低频

42、率/ ，这也是DDS的频率分辨率12，所以可以看出，当N不断增加的时候，DDS的频率分辨率可以不断提高，当然在实际设计中N的增加受到种种因素的制约。但是就目前的技术水平来说，已经可以产生很高的频率分辨率了。那么，K的最大值是多少呢，能不能取到，实际上D/A转换器件的输出波形相当于一个连续平滑波形的采样，采样率就是，这样根据奈奎斯特采样定理，采样率必须大于信号频率的2倍。也就是说，D/A转换器的结果要完全恢复的话，输出波形的频率必须小于/2。一般来说，由于低通滤波器的设计不可能达到理想情况，即低通滤波器总是有一定的过渡带的，所以输出频率还要有一定的余量，一般来说，在实际应用当中，DDS的输出频率

43、不能超过0.4对于计数容量为2K相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为K，输出信号频率为，参考时钟频率为，则DDS系统输出信号的频率为 =k/2K （2-2）输出信号频率的频率分辨率为f min=/2K （2-3）由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为max=/2 （2-4）频率控制字可由以上公式推出：K=2K/ （2-5）当外部参考时钟频率为50MHz，输出频率需要为1MHz时，系统时钟经过6倍频，使得变为300MHz，这样就可利用以上公式计算出DDS的需要设定的控制频率字K=248/3003 硬件系统设计3.1 硬件元器件的选用3.1.1 C8051F02

44、0控制芯片简介(1) C8051F020的功能C8051F020是Cygnal出的一种混合信号系统级单片机（片上系统SOC）13，片内含CIP-51的CPU内核，它的指令系统与MCS-51完全兼容；其中的C8051F020单片机含有64KB 片内Flash程序存储器、4352B（256B+4KB）的RAM；8个I/0端口共64根I/0口线大量减少了外部连线和器件扩展；一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器；2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分；C8051F020单片机支持双时

45、钟，其工作电压范围为2.7-3.6V（端口I/0，RST和JTAG引脚的耐压为5V）。C8051F020单片机所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051 固件。片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。具有片内VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020 是真正能独立工作的

46、片上系统。调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。调试时不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道，并且所有的模拟和数字外设都正常工作。当MCU 单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC除外）都停止运行，以保持同步。a.运行速度C8051F020的指令运行速度是一般80C51系列单片机的10倍以上。因为其CIP-51中采用了流水线处理结构，已经没有了机器周期时序，指令执行的最小时序单位为系统时钟，大部分指令只要1-2个系统周期即可完成。又由于其时钟系统比80C51的更加完善，有多个时钟源，且时钟源可编程，时钟频率范围为0-25MHz，当

47、CIP-51 工作在最大系统时钟频率25MHz时，它的峰值速度可以达到25MI/s，C8051F020已进入了8位高速单片机行列。b.I/0端口的配置方式C8051F020拥有8个8位的I/0端口，大量减少了外部连线和器件扩展，有利于提高可靠性和抗干扰能力。其中低4个I/0端口除可作为一般的通用I/0端口外，还可作为其他功能模块的输入或输出引脚，它是通过交叉开关配置寄存器XBR0、XBR1、XBR2（各位名称及格式如表1所示）选择并控制的，它们控制优先权译码选择开关电路如图1所示，可将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为端口I/0引脚出现，这样用户可以根据自己的特定需要先把所需的数字资源和通用I/0口。数字交叉开关是一个比较大的数字开关网路，这在所有80C51系列单片机上是一个空白。另外P1MDIN用于选择P1的输入方式是模拟输入还是数字输入，复位值为11111111B，即默认为数字输入方式。而80C51单片机的I/0引脚是固定分配的，即占用引脚多，配置又不够灵活。c.交叉开关这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口I/O引脚。与具有标准复用数字