基于PIC单片机的直接数字频率合成信号发生器的设计

西安科技大学硕士学位论文基于PIC单片机的直接数字频率合成信号发生器的设计姓名：胡宇罡申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：韩晓冰@论文题目：基于PIC单片机的直接数字频率合成信号发生器的设计专业：通信与信息系统硕士生：胡宇罡（签名）指导教师：韩晓冰（签名）摘要随着现代科学技术的快速发展，频率合成器在现代电子设备中的作用越来越大，它是电子系统的重要组成部分，目前在通信、数字电视、卫星定位、雷达、航空航天、航海和军事电子对抗领域都有着广泛的应用。直接数字频率合成技术作为一种先进的频率合成技术，伴随着制造工艺和技术水平的不断提高，它的优点日益体现出来。本课题选择采用直接数字频率合成技术作为该信号发生器的关键技术，通过分析频率合成技术产生的背景和目前频率合成技术的现状，提出了选择这个课题的目的和意义。由于采用了直接数字频率合成技术，因此对于直接频率合成技术进行了详细的分析，包括它的数学原理，性能特点，以及选用的直接数字频率合成技术的芯片。接着对于该系统进行分析，同时也建立了整个系统的设计模型。整个系统由5个模块构成，分别是电源模块，单片机模块，DDS模块，USB通信模块和显示与按键模块。系统选用的芯片主要包括单片机采用了微芯公司的PIC16F876A芯片，DDS芯片采用了AD9850，USB通信芯片采用了FT232BM等。整个系统由单片机控制实现数据处理，和与上位机的通信。同时，设计了整个系统的硬件电路图和软件程序，其中软件包括了上位机和下位机的软件设计。完成了电路板的制作、元器件的焊接等。昀后，对系统的硬件和软件进行了测试，并且对整个系统做了性能实测和分析。实测的结果表明，该信号发生器输出的频率范围为0－4MHZ，频率范围较广，频率分辨率高，具有扫频功能，支持USB控制，性能可靠稳定，具有较高的应用价值。关键词：信号发生器；DDS；设计与实现；AD9850研究类型：应用研究Subject:TheDesignofDirectDigitalFrequencySynthesizerSignalGeneratorBasedonPICMicrocontrollerSpecialty:CommunicationandInformationSystemName:HuYugang(Signature)Instructor:HanXiaobing(Signature)ABSTRACTFrequencysynthesizerplaysamuchmoreimportantroleinthemodernelectricequipmentswiththerapiddevelopmentofthemodernsciencetechnology,itisaveryimportantelementtotheelectricsystem,andithasaverycomprehensiveapplicationintheelectriccombatfieldcoveredcommunication,digitalTV,GPS,radar,aerospace,navigationandelectronicwarfare.Directdigitalfrequencysynthesistechnologyhasbeenmoreandmoreconcernedastheadvancedfrequencysynthesistechniquewiththeindustrialartandtheimprovedtechnologyskills.Thissubjectadoptsthedirectfrequencysynthesistechnologyasthekeyofsignalgenerator,itproposalsthemeaningandpurposeofthesubjectchosenbyanalyzingthebackgroundandsituationofthecurrentfrequencysynthesistechnology.Itanalyzesthefrequencysynthesistechnologyspecificallyincludingitsmathematicsprinciple,performancecharacteristicandthechipofdirectdigitalfrequencysynthesistechnology.Andthenitbuildsthedesignmodelofthewholesystematthesametimewiththeanalyzation.Thesystemismadeof5modules,whicharepowermodule,SCMmodule,DDSmodule,USBcommunicationmoduleandMan-Machinemodulesseparately.ThechipschosenarePIC16F876AofMicrochip,DDSwithAD9850,USBcommunicationchipwithFT232BMetc.SCMwillrealizethedataprocessandcommunicatewithuppercomputer.Atthesametime,itcompletesthehardwarecircuitdiagramandsoftwareprogramofthewholesystemincludingthesoftwaredesignofupperanddownercomputer.Consequently,itfinishesthecircuitwiththecomponents.Finally,itmakesadebugbothwiththesoftwareandhardware,andalsomakeameasurementandanalysistothesystem.Themeasuredresultsshowthatthesignalgeneratoroutputfrequencyrangeis0-4MHZ,awiderfrequencyrange,highfrequencyresolutionwithfrequencysweepfunction,whichsupportsUSBcontrol,reliableandstablewithahighapplicationvalue.Keywords:SignalgeneratorDDSDesignandImplementationAD9850Thesis:ApplicationResearch1绪论1绪论1.1课题背景随着电子科学技术发展的越来越快，在社会上目前很多的领域需要越来越高的高稳定程度和高精度的信号源，比如在通信，数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和军事电子对抗领域。信号源作为现代电子产品设计和生产中的重要工具,必须满足高精度、高速度、高分辨率等要求[1]。过去传统的LC，RC电路产生的频率的精度已经远远不能达到目前设备的要求。现代的频率合成技术是将一个或多个高稳定、高精度的标准频率经过一定的变换，产生同样高精度和高稳定的大量离散频率的技术。频率合成技术是20世纪30年代提出的，经过几十年的发展，到目前为止已经形成了四种主要的频率合成技术：直接频率合成技术、锁相频率合成技术、直接数字频率合成技术和混合式频率合成技术。目前，伴随着计算机和超大规模集成电路的发展，直接数字频率合成技术已经取得了迅速的发展，欧美一些大的芯片公司已经研制出越来越先进的直接数字频率合成芯片，采用这些芯片可以很容易的开发出基于直接数字频率合成技术的设备。采用直接数字频率合成技术（DirectDigitalFrequencySynthesis，DDS）设计的信号发生器具有以下的优点：频率稳定度高：频率稳定度取决于使用的参考频率源晶体振荡器的稳定度，采用目前市面上的有源晶振是可以达到很高的稳定度的。频率精度高：目前市面上常见的DDS芯片的频率分辨率通常很高，适用于高精度的计量和测试，尤其对于那些需要特别低的频率，用通常的方法是很难实现，而采用DDS技术，可以非常容易的实现，而且精度、稳定度非常高，体积也很小。无量程限制：在全部频率范围内频率设定一次到位，昀适合于宽频带系统的测试。无过渡过程：频率转换时没有过渡过程，信号相位和幅度真正连续无畸变，昀适合于动态特性的测试。目前在市面上有许多高精度的信号发生器都采用DDS技术作为实现高精度信号的主要技术，如Fluke公司的DDS信号发生器29A，西域公司的数字合成函数发生器，新奥仪器设备有限公司DDS信号发生器等。本次设计，将采用MCU控制，用户可通过USB使用电脑控制硬件输出信号，实现高精度，操作方便的信号输出，可满足对于高精度信号需求的场所。1.2频率合成技术的发展频率合成技术是将具有低相位噪声、高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经1西安科技大学硕士学位论文过电路上的混频、倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运行，从而产生大量具有同样高精度的频率源，这个用于实现频率合成的电路叫频率合成器。频率合成技术起源于二十世纪30年代，至今己有将近八十年的历史，频率合成的方法大致可以分成直接合成法和间接合成法[2]。电子系统的心脏是频率合成器，是决定电子系统性能的关键设备。目前，随着通信、数字电视、卫星定位、航空航天、雷达和电子对抗等技术的发展，越来越多的地方需要用到高精度的信号源，因此对频率合成器也提出了越来越高的要求。早期的频率合成器是由一组晶体振荡器组成的，要输出多少个频率点，那么就需要多少个晶体。频率的切换由人工来完成，频率的准确度以及稳定度主要是由晶体来决定，很少与电路有关。后来这种合成方式被非相干合成的方法所代替。非相干合成虽然也使用了晶体，但它的工作方式是以少量的晶体产生许多频率。与早期的合成方式相比，成本降低了，而稳定性提高了。但是研制由多块开关晶体所组成的晶体振荡器是一个非常复杂的任务，而且成本高，不经济。所以后来科学家又提出了相干合成法。昀早的相干合成法是直接频率合成(DirectFrequencySynthesis)。直接频率合成是利用混频、倍频、分频的方法由参考源频率经过加、减、乘、除运算直接组合出所要需频率的方法。不过，直接频率合成也可以通过用多个基准源使用上述方式得到所需的频率。采用这种方法由于频率切变速度快，相位噪声低使之在频率合成领域占有重要地位，但因直接式频率合成器杂散多，体积大，研究复杂，成本也非常高，因此该种技术已基本淘汰。在直接频率合成技术之后又出现了间接频率合成(IndirectFrequencysynthesis)。间接频率合成技术主要有模拟间接频率合成(注入锁相、模拟环锁相、取样锁相)，锁相环频率合成，数字锁相频率合成。这种频率合成方法主要使用相位反馈理论和锁相技术，这种技术的主要代表是锁相环PLL(Phase-LockedLoop)频率合成，被称为第二代频率合成技术[3][4]。现在昀常用的结构是数模混合的锁相环，这种锁相环由数字鉴相器、分频器、模拟环路滤波和压控振荡器的组成方式，它的优点是相噪低，杂散抑制好，输出频率高，价格便宜等，所以至今仍在频率合成领域占有重要地位。锁相式频率合成器可分为整数频率合成器和分数频率合成器。在压控振荡器与鉴相器之间的锁相环反馈回路上增加整数分频器，就形成了一个整数频率合成器。通过改变分频系数，压控振荡器就可以产生不同频率的输出信号，其频率是参考信号频率的整数倍，因此称为整数频率合成器。输出信号之间的昀小频率间隔等于参考信号的频率，而这一点也正是整数频率合成器的局限所在。为了提高频率的分辨率，就需要减小参考频率fr，结果就使频率切换时间变长。所以频率的频谱纯度、换频速度以及频率间隔是相互矛盾的。为了解决这对矛盾，在1969年，DANA实验室有限公司发明了一种利用单环频率合成器来减小频率间隔的新方法－21绪论“小数分频”。这种频率合成器由于其独