直接数字频率合成器(DDS)的改进设计
基于DDS数字频率合成信号发生器的设计

S(n) S(t)
DDS基本原理
相位累 加器
相位地址 寄存器
参考信号fc
正弦查 表(ROM)
D/A
LPF
图一
典型DDS的原理框图
频 率 控 制 字 K
N位
S(n)
S(t)
相位累 加器
相位地址 寄存器
参考信号fc
正弦查 表(ROM)
D/A
LPF
工作过程为: 3 、最后经 D/A转换和滤波将波形数据转换成所需要的波 12 、 根据参考信号 fc的时钟脉冲,N位累加器将频率 、波形表根据这个地址值输出相应的波形数据 S(n) 形。 K循环累加,把相加后的结果通过相位寄存 控制字
+5V
入
端
+5V
VCC
3.9K
R
1
10uF/10V
EC02
1
1
1
1
1
0.1uF
C
4
3
2
1
0
9
8
7
6
5
4
3
2
1
2
AD9850
U
Q
QOUTB
RSET
A
A
CLK_IN
FQ_UD
W_CLK
D
D
D
D
D
D
1
O
V
G
V
G
0
1
2
3
U
D
N
D
N
T
D
D
DDBiblioteka 0.1uFC3
0.1uF
C
G
4 N DACBL IOUTB A A RESET
DDS信号发生器设计

DDS信号发生器设计DDS(直接数字频率合成)信号发生器是一种数字技术制造高质量频率合成信号的装备。
本文将介绍DDS信号发生器的设计原理、关键技术和性能评估。
一、设计原理:DDS信号发生器的设计原理基于数字频率合成技术,其核心是数字信号处理器(DSP)和数字锁相环(PLL)。
DDS信号发生器通过频率控制字(FTW)和相位控制字(PTW)控制DDS芯片的输出频率、波形和相位。
在DDS芯片中,数字频率合成器通过数模转换器将较高的待合成信号转换为模拟信号,进而通过滤波器、放大器等模拟电路产生高质量的输出信号。
二、关键技术:1.高精度的频率合成:DDS信号发生器需要具备高精度的频率合成能力。
此需求需要DDS芯片具备较高的分辨率和较低的相位噪声。
分辨率是DDS芯片产生频率变化最小步进的能力,通常用位数来表示。
较高的分辨率可以确保DDS信号发生器输出的频率表现更加连续平滑。
相位噪声则与DDS芯片的时钟抖动、量化噪声等因素有关,较低的相位噪声能够保证信号在频谱中的纯净度。
2.高动态范围的输出:DDS信号发生器通常需要提供广泛的频率范围和大范围内的输出功率调节。
此需求需要DDS芯片具备高动态范围的输出能力。
动态范围包括频率动态范围和幅度动态范围。
频率动态范围是指DDS信号发生器能够合成的频率范围,幅度动态范围则指DDS信号发生器能够调节的输出功率范围。
通过优化DDS芯片的设计,可以提高输出的动态范围。
3.高速的输出信号更新:DDS信号发生器需要具备快速更新输出信号的能力。
通常,DDS芯片具备更高的时钟频率和更大的内存储存能力可以实现更高的输出信号更新速率。
高速更新输出信号可以保证DDS信号发生器能够满足实时调节信号的需求。
三、性能评估:DDS信号发生器的性能评估包括频率稳定度、相位噪声、调制信号质量等几个方面。
频率稳定度是指DDS信号发生器输出频率的稳定性,通常通过测量短期和长期的频率漂移来评估。
相位噪声则是度量DDS信号发生器输出信号相位纯净度的参数,使用杂散频谱测量方法和相位噪声密度谱评估。
DDS(DirectDigitalSynthesizer)直接数字式频率合成器

DDS(DirectDigitalSynthesizer)直接数字式频率合成器1. 什么叫DDS直接数字式频率器DDS(Direct Digital Synthesizer),实际上是⼀种分频器:通过编程频率控制字来分频系统(SYSM CLOCK)以产⽣所需要的频率。
DDS 有两个突出的特点,⼀⽅⾯,DDS⼯作在数字域,⼀旦更新频率控制字,输出的频率就相应改变,其跳频速率⾼;另⼀⽅⾯,由于频率控制字的宽度宽(48bit 或者更⾼),频率分辨率⾼。
2. DDS⼯作原理图1 是DDS 的内部结构图,它主要分成3 部分:相位累加器,相位幅度转换,()。
图 1,DDS的结构(1)相位累加器⼀个正弦波,虽然它的幅度不是线性的,但是它的相位却是线性增加的。
DDS 正是利⽤了这⼀特点来产⽣正弦信号。
如图 2,根据DDS 的频率控制字的位数N,把360° 平均分成了2的N次等份。
图2,相位累加器原理假设系统时钟为Fc,输出频率为Fout。
每次转动⼀个⾓度360°/2N,则可以产⽣⼀个频率为Fc/2N的正弦波的相位递增量。
那么只要选择恰当的频率控制字M,使得 Fout / Fc= M / 2N,就可以得到所需要的输出频率Fout,Fout = Fc*M / 2N。
(2)相位幅度转换通过相位累加器,我们已经得到了合成Fout 频率所对应的相位信息,然后相位幅度转换器把0°~360°的相位转换成相应相位的幅度值。
⽐如当DDS 选择为2V p-p 的输出时,45°对应的幅度值为0.707V,这个数值以⼆进制的形式被送⼊DAC。
这个相位到幅度的转换是通过查表完成的。
(3)DAC输出代表幅度的⼆进制数字信号被送⼊DAC 中,并转换成为模拟信号输出。
注意DAC 的位数并不影响输出频率的分辨率。
输出频率的分辨率是由频率控制字的位数决定的。
直接数字式频率合成技术(DDS)是⼀种先进的全数字频率合成技术,它具有多种数字式调制能⼒(如相位调制、频率调制、幅度调制以及I/Q正交调制等),在通信、导航、雷达、电⼦战等领域获得了⼴泛的应⽤。
直接数字频率合成技术DDS

幅
位
度
码
码
数模变换器 DAC
时 钟
低通滤波器 LPF 输出
图3-11 相位/幅度变换装置
假设DAC的输入幅度码是四位,则它的输出幅度与输 入幅度码之间的关系是按线性变化的,如表3-1所示。
二进制幅度码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
表 3-1
十进制幅度 二进制幅度码
0.1875
0 +1.1875
续表 3 - 4
8 1000 17π/16 -0.1951 0011 0.1875 1 9 1001 19π/16 - 0.5556 1001 0.5625 1 10 1010 21π/16 - 0.8316 1101 0.8125 1 11 1011 23π/16 -0.9808 1111 0.9375 1 12 1100 25π/16 -0.9808 1111 0.9375 1 13 1101 27π/16 -0.8316 1101 0.8125 1 14 1110 29π/16 -0.5556 1001 0.5625 1 15 1111 31π/16 -0.1951 0011 0.8175 1
② 将模2π的累加相位变换成相应的正弦函数值的幅度, 这里幅度可先用代码表示,这可以用一只读存储器ROM来 存储一个正弦函数表的幅值代码;
③ 用幅度代码变换成模拟电压,这可由数模变换器 DAC来完成;
④ 相位累加器输出的累加相位在两次采样的间隔时间 内是保持的,最终从DAC输出的电压是经保持的阶梯波。
2. 相位与幅度的变换
累加器输出的相位码,需先经过一个相位码/幅度码变换 装置之后,再经数/模变换生成阶梯波,最后通过低通滤波 器才能得到所需的模拟电压。
直接数字频率合成的优缺点

直接数字频率合成的优缺点什么是直接数字频率合成?直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis,DDFS)是一种基于数字信号处理技术的频率合成方法。
它通过数字信号产生器(Digital Signal Generator,DSG)的输出,实现对任何频率和任何波形的生成。
DDFS的原理是将相位累计器作为计数器,将其输出作为一个带宽窄的方波信号,再通过低通滤波器将其转换为连续的正弦波信号,以实现目标波形的合成。
直接数字频率合成的优点精度高DDFS是一种准确的频率合成方法。
因为它是以数字信号的方式输出波形,消除了模拟电路中产生的误差和漂移。
另外,DDFS在频率和相位的控制上,具有高精度的输出能力,提高了合成波形的质量和准确性。
范围广DDFS的输出范围非常广,它可以产生任何频率的波形信号。
而且不同于模拟频率合成器,DDFS的频率可由外部控制,输出频率可以实现广范围内的变化调节。
这种灵活性帮助工程师在频率范围需要变化的应用中,更轻松地调节输出信号。
稳定性好DDFS是一种基于数字信号的频率合成方法,它的信号源压缩了使用模拟电路时容易出现的波动、漂移等不稳定性,所以它具有较高的稳定性。
在多种温度和电压变化的应用中,DDFS可以提供相同的性能,这意味着在设计过程中不需要太多的环境测试与调试。
直接数字频率合成的缺点抗干扰能力差DDFS在抗干扰方面相对较差。
接收到使相位累计器发生错误计数的干扰信号,会导致输出波形的失真或异常。
这可能限制DDS的应用范围,特别是在高强度干扰环境下的应用中,DDFS可能会出现输出失真现象。
噪声高DDFS在合成信号时,会引入噪声,特别是在比较低的频率下噪声会非常明显。
噪声来自于相位计数器的数字量化以及DDS输出的工作频率和时钟相互种衍生的问题,对某些高精度应用造成质量上的影响。
售价较高相比于模拟信号发生器和频率合成器而言,DDFS的售价更高。
其内含的高精度时钟与数字量化模块、COSS/FOSS转换器以及快速控制电路等,使其在调制精度、计算速度、同时售价等方面相对更高。
基于FPGA直接数字频率合成器DDS的设计

量, 相位增加量 的大d E频率控制字确定 。信号波形 的数据 表包 含待 , h 产生信号一个周期 的幅度一相位信息 。 从数据表中读出相位累加器输 出相位信号值对应 的幅度 数据 .通过 D C 该数据转换成所需 的模 A 将 拟信号波形输 出。相位累加器 的相位 累加 为循 环迭加 . 这样使得输 出 信号 的相位是 连续的 直接数字合 成器 D S D 就是 根据上述原理 而设 计的数字控制频率合成器
k y p r ft u la e ato hen ce rDDS ,DDS d sg e u la ,b h h s c u ltra d te wa eol aatbe ta a e rt btaywa eoi O e in d n ce r y t ep a e a c muao n h v fYn d t a l h tc n gneaea irr v frlt r T
生任意波形。F G P A器件 作为 系统控制 的核 心 , 其灵活的现 场可更改性 , 可再配置能力 , 系统的各种改进非常方便 , 对 在不更改硬件 电路的基础 上进一步提 高系统的性能 【 关键词 】 直接数字频率合成 ; 相位 累加器 ;P A FG
Di e tDi i e u nc y t e sg Be s d o r c g t Fr q e y S n h  ̄s De i n a e n FPGA al
F PGA e iea h o esse c nr 1Ta lofrh ri rv h efr n e o es se d vc stec r ytm o to. nas u te mp o etep roma c ft y tm. h
【 e od] icdgaFeuny ytesF G Pae cu u t K yw rsDr t it rqec n s ;P A;hs acm lo e il s hi ar
基于FPGA的DDS直接数字频率合成器设计与实现

图 5
期只采样 2点,难 以保证输出精度 。为了保证输 出精度 ,规 定最低每 周期采样 8 点,此时 K 2/ = 2 ,则 :f = = 8 18 … K×
f/ 1 . 2 H c2= 6 5 M z 5
( )最 小步长的正弦波 ( 6 1 图 )
频 率 控 制 字 : 00 0 0 0 00001 相 位 控 制 字 : 00 0 0 0 00000
r — V v\ 1 / 厂 八 八八 / / ^厂 r u 厂 九 \ ^\ 、
图7
仿 真测得正弦波频率为:2 2 . 8 8 7 s2 .6 s /( 0 3 76 u 一 0 2 u )≈ 1. 4 3 H ,与计算参 数相 近,误差来 自于仿真测量时的显 5 6 1M z
2 波形存储 .
本设计 中波形存储 为连续存储 ,对正 弦波进行采样 利用 O a ts制造 一个 R M ,进 行 查值 操 作 , 波 形 的 存 储 方 法 ur u O表 在 上可 以有两种 方案 ,一个是对正弦波从 0到 2 进行采样 ,在 兀 这 次 设计 和 以上 的 参 数 选 取 上 均 基 于 这 种 方 案 ,这 个 方 案 的
示 误差 。
正弦波幅值的获得 ,可通过 C语言编程得到,将 C程序
所 得 结 果 导 出 到一 个 文 件 中 便 可 得 到 正 弦波 幅 值 。 3 系 统 设计 . 由波 形 存 储 模 式 ,设 计 系统 模 型 框 图 4 :
( )最 大 步 长 的 正 弦波 ( 7 2 图 ) 频 率 控 制 字 : 0 10 0 0 00000 相 位 控 制 字 :0 0 0 0 0 0 0 0 00
优 点 是 实现 简 单 ,思 路 清 晰 ;另一 种 方 案 是 对 正 弦波 从 0到
基于DDS技术的信号发生器的设计与实现_毕业设计(论文)

毕业设计设计题目:基于DDS技术的信号发生器的设计与实现基于DDS技术的信号发生器的设计与实现摘要DDS是直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer)的英文缩写。
与传统的频率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点,广泛使用在电信与电子仪器领域,是实现设备全数字化的一个关键技术。
本设计采用单片机为核心处理器,利用键盘输入信号的参数,控制DDS的AD9850模块产生信号,信号的参数在LCD1602上显示,完成正弦信号和方波信号的输出,用示波器输出验证。
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。
与传统的频率合成方法相比,DDS合成信号具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续等诸多优点。
使用单片机灵活的控制能力与AD9850的高性能、高集成度相结合,可以克服传统DDS设计中的不足,从而设计开发出性能优良的信号发生器系统。
关键词:单片机直接数字频率合成AD9850 DDSDesign and Implementation of the SignalGenerator Based on DDS TechnologyAbstractDDS is Direct Digital frequency Synthesizer (Direct Digital Synthesizer) English abbreviations. Compared with the traditional frequency synthesizer, with low cost, DDS low power consumption, high resolution and fast converting speed time and so on, widely used in telecommunications and electronic instruments field, is to realize equipment full digital a key technology.This design uses the single chip processor as the core, using a keyboard input signal parameters, control of DDS AD9850 module produce signals, the signal parameters in LCD1602 show that the complete sine signal and square wave signal output, the output with an oscilloscope validation.DDS is A full digital frequency synthesizer, by phase accumulators, waveform ROM, D/A converter and low pass filter composition. The clock frequency after A given, the output depends on the frequency of the signal frequency control word, the frequency resolution depends on accumulators digits, phase resolution depends on the ROM address line digits, amplitude quantization noise depends on the ROM data A word length and D/A converter digits. And the frequency of the traditional method than the synthesis, DDS synthesis signal has a frequency switching frequency of short time, high resolution and continuous phase changes, and many other advantages. Using single chip microcomputer control of the flexible ability and high performance, high level of integration of the AD9850 combination, can overcome the disadvantage of the traditional DDS design, to design the developed good performance of signal generator system.Key word:MCU; direct digital frequency synthesis;AD9850;DDS目录1 引言 (1)2DDS概要 (2)2.1DDS介绍 (2)2.1.1 DDS结构 (2)2.1.2典型的DDS函数发生器 (3)2.2DDS数学原理 (5)3 总体设计方案 (8)3.1系统设计原理 (8)3.2总体设计框图 (8)4 系统硬件模块的组成 (9)4.1单片机控制模块 (9)4.1.1 STC89C52主要性能 (9)4.1.2 STC89C52功能特性描述 (9)4.1.3 时钟电路 (11)4.1.4复位电路 (11)4.2AD9850模块 (12)4.2.1 AD9850简介 (12)4.2.2 AD9850的控制字与控制时序 (14)4.2.3单片机与AD9850的接口 (15)4.3滤波电路设计 (15)4.4键盘控制模块 (16)4.5LCD显示模块 (16)4.5.1液晶显示器显示原理 (16)4.5.2 1602LCD引脚与时序 (17)4.6A/D转换模块 (20)5 软件设计与调试 (21)5.1程序流程图 (21)5.2软件调试 (22)5.2.1 keil编程工具介绍 (22)5.2.2 STC-ISP下载工具介绍 (23)6 硬件电路制作 (24)6.1原理图的绘制 (24)6.2电路实现的基本步骤 (24)6.3硬件测试波形图 (25)7 结论 (27)谢辞 .............................................................................................. 错误!未定义书签。
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直接数字频率合成器(DDS)的改进设计【摘要】本文介绍了一种改进的直接数字频率合成器的设计原理,详细讨论了dds频率合成技术及系统软件、硬件的设计。
【关键词】dds;可控分频器;单片机
频率源是雷达、通信、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键。
在现代电子学的各个领域常常需要高精度且频率可方便调节的信号源。
传统的频率合成器已不能适应技术发展的需要,直接数字式频率合成器(direct digital frequency synthesis)简称dds 或ddfs,是随之发展起来的一种新的频率合成技术,它是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。
一般采用相位累加器和幅码编址器对存储器进行寻址,过于复杂并且电路调试有一定难度,滤波器精确度要求很高,频率很高时波形不光滑且容易失真。
本文针对这一不足进行了改进。
一、改进的直接数字频率合成器设计框图
该系统全面采用数字电路方案,因而工作稳定可靠,利用单片机控制管理,使频率预置和占空比调整等操作可用键盘输入,十分方便,数字频率合成技术使输出频率准确度和稳定度得到提高,频率分辨率为1hz。
二、系统的总体设计思路
该系统分为单片机处理与控制部分两大部分,单片机采用
89c51,通过一块接口芯片8255与键盘和显示器连在一起,因显示的位数只四位,故采用数码管动态显示,软件译码,采用2*8的键
盘进行预置数输入,控制,键盘上共有0—9个数字键、6个功能键;利用单片机的输出来控制可控分频器,然后通过计数器对可控分频器的输出脉冲进行计数,把8位计数器的输出作为一个地址码,将这个地址码作为存储器的读写地址,从存储器中取出预先存放的各种量化数据,经dac0832进行d/a转换,最后通过滤波器输出一个频率受键盘控制的正弦波。
经过对dds的改进后,该系统能产生1hz —9999hz的频率,频率可由键盘进行预制,并且输出频率可通过显示器进行数码显示。
1、单片机控制部分的设计:
1)显示器部分的设计
显示器采用数码管进行显示,数码管成本低、性能稳定。
采用四个共阴极的数码管,将四个数码管的8个段码端全部并联到一起,然后分别将四个数码管的位控制器接到pc口,当显示千位时,pc 口输出位码7fh;pb口输出经过译码后的显示数的段码,从而在千位上显示一个千位数,能后依次百位,十位,个位,这样一个周期下来,四个数码管依次被点亮了一次,根据人眼的视觉暂留特性,动态显示数据,通过控制不同的位码来显示不同的数据位,在程序延时等其他情况下,都调用显示程序,尽可能减少显烁感,不影响整个的视觉效果。
利用伟幅仿真器仿真,下图为显示器的流程图。
2)键盘部分的设计
采用8255动态扫描键盘,2*8键盘,有16个按键,0—9个数字键,+1,-1,+10,-10,清零键,确认等6个功能键。
8255的pa口作为扫描口,从8255pa口输出高电平,逐列进行扫描,在p2口的第4、5位为输入脚,通过p2口接收电平的高低和8225pa口8位输出的状态,综合起来判定是哪个按键按下,在程序中间加一个消抖电路,然后将扫描回来的键值,通过处理子程序进行处理从而根据按键的不同功能实现不同的控制。
仿真扫描部分流程图如下。
2、频率合成部分的设计
1)可控分频器的设计
可控分频器主要利用mc14527系列集成来实现,其基本工作原理如下图所示,高位置数k1,低位置数k2,在10个cp脉冲内,14527(1)q端输出k1个脉冲,同时由其inhout断禁止低位14527(2)对cp进行比例分配,这样k1个脉冲通过14527(2)从fout 直通输出,10个cp脉冲结束时,14527(1)的inhout端发出一个使能脉冲,则可以有一个脉冲从14527(2)cp端进入。
那么在100个脉冲内,有10*k1个脉冲在fout处直通输出,有10个脉冲从14527(2)的cp端进入。
按k2值比例分配后有k2个脉冲在fout处输出,fout共送出10*k1+k2个脉冲,即fout=(10k1+k2)fin/100。
四级14527级联,预置k1、k2、k3、k4后,其级联输出频率为fout=(1000k1+100k2+10k3+k4)fin/10000晶振电路输出频率
fin=10khz,则fout=[10000(1000k1+100k2+10k3+k4)]/10000hz,即级联输出为预置频率的(1000*k1+100*k2+10k3+k4)倍频,rom 数据表中100个采样点代表一个周期,这样就可以实现数控输出频
率。
输出频率的稳定度与精度完全取决于晶振精度,频率极稳定,无跳频现象。
两级14527的级联
2)计数器的设计
如下图所示采用2片74ls161作为一个8位的100进制计数器,对mc14527输出的脉冲进行计数,当计到100的时候的计数器清零,然后又重新开始新一轮计数,同时8位计数器的输出值作为一个位地址对存储器2716进行寻址。
3)存储器
在存储器中存储了100个采样点127sin(nψ+1)(其中ψ=2π/100),这100个采样点以1v、1hz频率为基准,将这100个采样点存入2716,最终在2716的9-17脚输出一连串的数据信号,然后通过da0832进行转换。
4) d/a转换和低通滤波
da0832把2716输出的二进制数据转换为模拟信号。
用示波器可以看出这些模拟信号中有一些锯齿,波形不够光滑,因此增加一个低通滤波器从而在输出端得到一系列频率不同的正弦波。
因为我们采用了100个取样点,所以只要用一个很简单的低通滤波器就可以得到比较光滑的波形。
三、直接数字频率合成器电路图(见附图)
四、结论
本设计直接数字频率合成器采用可控分频器和计数器取代了采
用相位累加器的直接数字频率合成器中的幅码编址,累加器,降低了系统实现的难度,同时也方便了系统的调试,降低整个系统成本。
参考文献:
[1] 清华大学电子教研组编,阎石主编:《数字电子技术基础》(第四版),北京,高等教育出版社,1998年.
[2] 滨州学院学报,李建磊等编《直接数字频率合成器(dds)精度提高方法研究》,2006年6月.
[3] 王家礼等编著《频率合成技术》,西安电子科技大学出版社,2009年.
附图:直接数字频率合成器电路图。