CN202150069U

CN202150069U - 一种dds信号发生器

Info

Publication number: CN202150069U
Application number: CN201120272029U
Authority: CN
Inventors: 郭业才; 丁远振
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-07-29

Abstract

本实用新型涉及一种信号发生器，尤其是一种DDS信号发生器。所示DDS信号发生器包括：单片机控制模块、DDS芯片、低通滤波器、矩阵键盘将输入的控制信号传送给单片机，显示器显示单片机接收到的数据，单片机控制DDS模块动作得到阶梯波形的模拟输出量，阶梯波形的模拟输出量进入低通滤波模块得到平滑的正弦波形的模拟输出量。该信号发生器可以输出不同频率的正弦波、方波、三角波，具有频率分辨率高、功耗低、输出频率信号相位连续、频率转换时间短等优点。

Description

一种DDS信号发生器

技术领域

本实用新型涉及一种信号发生器，尤其是一种DDS信号发生器。

背景技术

现在频率合成主要包括三种基本技术：直接式频率合成、锁相环式频率合成(PLL)、直接数字式频率合成(DDS) ，其中，锁相环式频率合成也叫间接式频率合成。

直接式频率合成方式是最早使用的频率合成方式，由一个或多个参考频率源经分频、倍频、混频实现频率间的加、减、乘、除来产生新的频率，并靠滤波器选择使信号纯净。直接式频率合成具有频率转换时间短、相位噪声低、输出频带宽（可达上千兆赫）、频率分辨率高（可达微赫兹级）等优点，但由于非线性器件引入的杂波成分较多且采用了大量的混频、分频、倍频和滤波等途径，使得频率合成器的体积庞大、成本高、结构复杂、容易产生杂散分量且难于抑制。但近几年随着声表面波(SAW)技术的发展，直接模拟频率合成器的体积也得到了相应减小，因此仍具有一定的发展前景。

上世纪六十年代，相位反馈理论和模拟锁相技术的应用产生了间接合成技术，由此引发了频率合成理论的第一次革命。间接式频率合成技术是由一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频、分频等变换，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环(PLL)将频率锁定在某一谐波或组合频率上。锁相环频率合成器具有合成信号稳定度高，输出频带宽、频谱纯度好等优点。此外，锁相环频率合成器还具有控制方便、体积较小、性价比好的优点，因此广泛地应用于同步跟踪、信号提取、解调等雷达与通信系统中。但由于锁相环存在捕获时间问题，其频率转换时间较长，单环频率合成器的频率间隔不可能做得很小，使之很难适用于高速、超高速的技术要求。

上世纪后期提出的直接数字频率合成理论(DDS)是频率合成史上的第二次革命。1971年，美国学者J.Tiemyc、C.M.Rader、B.Gold发表了关于直接数字频率合成的研究结果，第一次提出了DDS的概念。但由于受到当时微电子技术和数字信号处理技术的制约，DDS技术在当时并没有受到重视。随着数字集成电路和微电子技术的发展和电子工程领域的实际需要，DDS技术正日益显露出它的优越性。DDS采用全数字技术，基于相位的线性性质以及相位与幅度的对应关系实现频率合成，由相位累加器、相位幅度转换和数模转换器组成，具有很高的频率捷变速度、很宽的相对带宽、很高的频率分辨率、输出相位连续、便于单片集成，并且可以输出正交信号、能很容易地实现PSK和FSK等调制。虽然DDS芯片不断发展，仍有两点不足之处：输出带宽和杂散。DDS工作时钟频率决定了输出带宽，如AD9854，时钟频率为300MHz，输出带宽为0~120MHz，不过这对于飞速发展的无线通信是远远不够的。随着GaAs器件的发展，输出带宽的限制正在逐步被克服，目前采用GaAs（砷化镓）技术生产出来的DDS芯片其输出频率可达300到400MHz，但价格过于昂贵，难以大量应用。而杂散是DDS本身所固有的，且随着输出带宽的展宽，将越来越明显地成为限制DDS技术发展的最重要因素。利用GaAs技术的高速DDS芯片只能达到-40~-50 dBc，而一般的CMOS工艺的DDS芯片可达到-70~-90dBc，但如上面所说的，其输出频率不高，当采用倍频或变频提高其频率时会使杂散恶化，因此如何抑制杂散仍然是高速DDS技术亟待解决的问题。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种DDS信号发生器。

本实用新型为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种DDS信号发生器，包括单片机控制模块、DDS芯片、低通滤波模块、信号放大模块、显示器、矩阵键盘、输出模块；

其中，DDS芯片、显示器、矩阵键盘分别与单片机控制模块连接，DDS芯片依次连接低通滤波模块、信号放大模块、输出模块；

所述矩阵键盘将输入的控制信号传送给单片机；

所述显示器显示单片机接收到的数据；

所述单片机控制DDS芯片动作得到阶梯波形的模拟输出量，进入所述低通滤波模块将阶梯波形的模拟输出量转化为平滑波形的模拟量，然后经过信号放大模块将信号放大后发送至输出模块输出平滑波形的模拟量。

所述一种DDS信号发生器中，单片机控制模块采用STC11F60XE单片机。

所述一种DDS信号发生器中， DDS芯片为AD9954芯片。

所述一种DDS信号发生器中还包括PC机、串口通信模块，其中PC机通过串口通信模块与单片机控制模块连接。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：可产生正正弦波、方波、三角波；体积小、便于携带、性价比高。

附图说明

图1 为DDS信号发生器的模块图。

图2 为AD9945芯片的引脚图。

图3 为电源电路图。

图4 为矩阵键盘示意图。

图5 为串口通信模块的电路图。

图6 为七阶椭圆低通滤波器示意图。

图7 为信号放大模块的电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示的DDS信号发生器，包括：单片机控制模块、DDS芯片、低通滤波模块、信号放大模块、显示器、串口通信模块、PC机、矩阵键盘。

在对单片机进行选择时，对比了当今最为流行的51系列单片机、Atmel的AVR单片机和Microchip的PIC单片机，最终选择了STC11F60XE。原因主要有两点：一是STC11F60XE的性能远远高于传统51单片机，且性价比又强于AVR、PIC单片机；二是STC单片机是我国大陆本土的产品，而支持国货是我们每一个爱国青年应该做到的。下面就STC11F60XE单片机做一具体介绍。

STC11F60XE属于STC11系列单片机中的高端产品。STC11系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。

STC11F60XE主要特性如下：

●增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051

●工作电压：5.5V - 4.1V / 3.7V

●工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz

●应用程序空间： 60K字节

●片上集成1280字节RAM

●通用I/O口（36/40个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）。可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力均可达到20mA。

●ISP（在系统可编程）和IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0、TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

●有EEPROM功能

●看门狗

●内部集成MAX810专用复位电路

●内置一个对内部Vcc 进行掉电检测的掉电检测电路，可设置为中断或复位，掉电检测门槛电压为4.1V/3.7V附近。

●时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部R/C振荡器频率为：4MHz ～ 8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。

●共2个16位定时器(与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1)，16位定时器T0和T1)，16位定时器T0和T1)，有1个独立波特率发生器。

●3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟。

●外部中断I/O口5路，传统的下降沿中断或低电平触发中断。

●Power Down(掉电)模式可由内部掉电唤醒专用定时器唤醒，也可由上面提到的外部中断口中断唤醒，由于INT/RxD支持下降沿中断，故也可支持远程通信唤醒。

●一个独立的通用全双工异步串行口(UART)，做主机时可以当2个串口使用。 [RxD/P3.0、TxD/P3.1]可以切换到[RxD/P1.6、TxD/P1.7]，通过将串口在P3口和P1口之间来回切换，将1个串口作为2个主串口分时复用，可低成本实现2个串口，当然有其局限性。

●工作温度范围：-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级)

●封装：PDIP-40/LQFP-44/PLCC-44。

STC11F60XE单片机的封装采用LQFP44封装，它的体积比普通的DIP40封装小很多，而且多了独立的可位寻址P4口。STC11F60XE可以使用内部LC振荡器提供时钟源，但是受外界温度的影响很大，所以最好还是使用外部无源晶振作为单片机的时钟源。

DDS芯片选择了AD9954芯片。AD9954是ADI公司2003年采用先进的DDS技术生产的高集成度频率合成器。它内置高速、高性能D/A转换器及超高速比较器，可作为数字编程控制的频率合成器，理论上能产生200MHz的模拟正弦波。AD9954 内含1024×32静态RAM，利用该RAM可实现高速调制，并支持几种扫频模式。AD9954可提供自定义的线性扫频操作模式，通过AD9954的串行I/O口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨率。其应用范围包括灵敏频率合成器、可编程时钟发生器、雷达和扫描系统FM调制源以及测试和测量装置等。

AD9954主要特性如下：

●内置400MSPS时钟

●内含14 位DAC

●相位、幅度可编程

●有32位频率转换字

●在DAC输出有1Hz频率偏移时相位噪声小于-120dBc

●具有良好的动态特性：在160M输出仍有80dB的SFDR（无杂散动态范围）

●串行I/O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1024×32位RAM

●采用1.8V电源供电

●硬件或软件实现低功耗控制

●内含4~20倍可编程参考时钟倍乘器

●支持大多数数字输入的5V输入电平

●可以实现多片同步

AD9954采用48脚TQFP封装，其引脚图如图2所示。AD9954 内部具有两类寄存器：数据寄存器和控制寄存器。控制寄存器有CFR1（Control Function Register No.1）和 CFR2。数据寄存器主要有幅度寄存器（ASF），幅度上升斜率寄存器（ARR），频率转换字 0（FTW0），频率转换字 1（FTW1），相位偏移控制字（POW0），RAM段控制寄存器0（RSCW0），RAM段控制寄存器1（RSCW1），RAM段控制寄存器2（RSCW2），RAM段控制寄存器3（RSCW3）等。

本系统采用多电源系统，共用到4种共地电源：5V电压供单片机使用，±5V电压供运放使用，1.8V和3.3V电压供DDS芯片AD9954使用。如图3所示，使用外接的适配器提供5V电压，AMS1117提供1.8V和3.3V电压，5V转±5V电源模块用于运放。

由于AD9954分数字地和模拟地、数字电源和模拟电源，所以在实际设计时，在数字地和模拟地之间需要加上0欧姆的电阻，数字电源和模拟电源直接加上电感滤波，从而保证了信号的稳定性。

本系统中，数据和控制信号通过键盘输入，在单片机中进行运算处理，一方面用来对所需信号的功能、频率、幅度进行控制，另一方面将输出的信号频率、幅度等信息通过液晶显示屏显示出来。

键盘的设计必须满足键盘接口占用单片机的IO口较少，又同时能够提供足够的键数，可以考虑单线AD检测或者矩阵键盘。为了节省开销，本次设计采用矩阵键盘的方案。矩阵键盘共包含16个键，其中包括数字键、小数点及功能键，用来对所需信号的频率、幅度及功能进行控制。在实际使用时，同时又为了节省PCB的空间而使用薄膜键盘，通过杜邦线和单片机引出的插针相连。

如图4所示，矩阵键盘的连接由STC11F60XE的P3.0——P3.3四条行线和P3.4——P3.7四条列线构成。按键设置在行、列交点上，行、列线分别连接到按键开关上。平时无按键动作时，列线处于高电平状态，而当有键按下时，必须将行、列线信号配合起来作适当的处理，才能确定闭合键的位置。

显示器采用点阵字符型液晶显示器，点阵字符型液晶显示器是专门用于显示数字、字母、图形符号及少量自定义符号的显示器。这类显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存贮器做在一块印刷板上，构成便于应用的液晶显示模块。经比较后选用C12864液晶，核心是ST7920，是一种具有8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点，可以直接与5V电源相连。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构还是显示程序都要简洁得多，且该模块的性价比也很高。

通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。RS-232是目前最常用的串行接口标准，是EIA（美国电子工业协会）1969年修订的，定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准，用于计算机与计算机之间，计算机与外设之间的数据通信。RS-232提供了单片机与单片机、单片机与PC机之间串行数据通信的标准接口，通信距离可达15m。由于RS-232电路电平与TTL电平不同，因此RS-232驱动器与TTL电平连接时必须经过电平转换，本系统采用MAXIM公司的MAX232来完成这一功能。MAX232芯片包含两路接收器和驱动器，内部有一个电源电压转换器，可以把输入的+5V电压变换为RS-232输出电平所需的±10V电压。所以采用此芯片接口，串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。本实用新型采用的串口通信电路如图5所示。

本系统设定AD9954内部时钟为400MHz，输出信号最高频率为120MHz，滤波器设计选择无源低通滤波器。本实用新型采用了如图6所示的截止频率为120MHz的七阶椭圆低通滤波器。

信号通过低通滤波后，必须通过高速运算放大器对信号进行幅值的放大处理，才能为信号提供足够的电压和电流。这里选择AD8138来进行信号的放大，它属于差分放大器，-3dB带宽为320MHz，转换速率（SR）达到了1150V/us。使用AD8138搭建成反向比例放大电路，放大倍数为0——25倍，将AD9954输出的200mV电压放大至5V。反馈电阻 R19，R20不能随意选择，最佳值为500Ω左右，如果增大反馈电阻会降低带宽。信号放大模块的电路图如图7所示。

MAX4107则用于方波——三角波的转换，它的带宽为300MHz，采用积分运算对方波进行变换。

从电路图中可以看出，实际设计时添加了许多跳帽，用于选择不同的设计方案。例如AD8138的反馈电阻考虑了使用数字电位器X9511，X9511就是XICOR公司生产的理想按键式数字电位器。它内含31个串联电阻阵列和32个抽头。抽头位置由两个按键控制, 并且可以被储存在一个E²PROM存储器中, 以供下一次通电时重新调用, 并自动恢复抽头位置。X9511 高端和低端之间的电阻为10KΩ，通过滑动端使得电阻阻值在0~10KΩ之间变化，步进精度为323Ω。又如方波——三角波转换的积分电路，电容又考虑了可变电容，通过调节和MAX4107匹配从而输出波形良好的三角波。

Claims

1.一种DDS信号发生器，其特征在于：包括单片机控制模块、DDS芯片、低通滤波模块、信号放大模块、显示器、矩阵键盘、输出模块；

所述矩阵键盘将输入的控制信号传送给单片机；

所述显示器显示单片机接收到的数据；

2.根据权利要求1所述的一种DDS信号发生器，其特征在于：单片机控制模块采用STC11F60XE单片机。

3.根据权利要求1所述的一种DDS信号发生器，其特征在于：所述DDS芯片为AD9954芯片。

4.根据权利要求1所述的一种DDS信号发生器，其特征在于：还包括PC机、串口通信模块，其中PC机通过串口通信模块与单片机控制模块连接。