《数字信号发生器及数字电平表的开发与应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字信号发生器及数字电平表的开发与应用（55页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上海交通大学 硕士学位论文 数字信号发生器及数字电平表的开发与应用 姓名：谈荣康 申请学位级别：硕士 专业：计算机技术 指导教师：曹健;刘卫明 20060501 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 III 摘 要 本文的研究目标是通过对传统信号发生器的分析与研究，并通过对 DDS 技 术的学习，研究 DDS 技术与传统技术相比的优越性，并开发设计出一个新型数 字信号发生器，并利用数模转换技术开发数字电平表。 本文首先对信号发生器等仪器仪表的传统开发技术所存在的不足进行了分 析，并对用户就以前版本的仪器仪表的种种反馈信息进行了收集评估，最终项 目组提出了采用 DDS 芯片(AD9832)来开发信
2、号发生器，在文中还介绍了数字电 平表的开发及其应用，这些技术代表着新型仪器仪表的数字化发展趋势。文中 介绍了利用 51 系列单片机 WINBOND W77E58 作为微处理器，通过对其用 C 语言 编程控制，实现数字信号发生器及数字电平表的开发，并给出这些仪器仪表的 应用场合。 文中重点介绍了数字信号发生器的开发及其应用，另外，在本文中还对传 统仪器仪表在人机接口、复位控制、与微机通讯能力等方面功能进行了弥补， 做了大量的改进工作。在该项目中应用了带背光的低功耗液晶显示器，软件开 发上采用了类似 WINDOWS 操作系统中的菜单式控制界面，通过键盘控制，通过 对串行口编程，支持在线擦除，随时升
3、级程序，采用软件看门狗技术，解决了 死机复位问题。 本文的意义在于，利用 DDS 技术研发出数字信号发生器及利用 D/A 转换技 术开发出数字电平表，这些仪器仪表在同类设备中以其高精度、快速信号切换 及测量、高分辩率等技术优势，且操作十分方便，更好地满足了用户需要。 关键词：关键词：直接数字合成，模数转换器，低通滤波器，锁相环，看门 狗 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 IV Abstract The weak points of some traditional methods (e.g. PLL, DAC etc) used in the development of instrumen
4、ts such as signal generator and voltmeter are first analyzed in the paper. In addition, some valuable user feedback information concerning the improvement of older versions of the relevant instruments discussed here is gathered and analyzed too. After much discussion among the project staff members,
5、 DDS technology is chosen in the development of digital signal generator for its special features and high performance. In addition, the paper introduces a way to develop digital voltmeter. Microprocessor of winbond 77E58 is employed as the central processor of the program. It is a highly efficient
6、processor belonging to mono-chip system of 51 series. It offers more external interrupt sources and more timers than the most of its family members. The whole program is written in C51 language and the whole project is developed and debugged in the integral development environment of Vision 2. Large
7、 LCD controller and keyboard controller are used in the project. Menus are provided for easy operations via keyboard. Serial port is so programmed that on-line software update is possible through the connection with computer via serial port. X25045 is used as a watchdog in the project so that progra
8、m deadlocks are effectively avoided. KEY WORDS：KEY WORDS：DDS, ADC, LPF, PLL, WATCHDOG 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 V 英文缩写说明 MCS Mono-Chip System 单片机系统 IDE Integrated Development Environment 集成开发环境 DDS Direct Digital Synthesis 直接数字合成 LPF Low Pass Filter 低通滤波器 DAC Digital to Analog Converter 数模转换器 SPI Serial Per
9、ipheral Interface 串行外设接口 PLL Phase-lock loop 锁相环 HDLC High-level Data Link Control 高级数据链路控制 VCO Voltage Controlled Oscillator 压控振荡器 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 I 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确
10、方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 谈荣康 日期： 2006 年 5 月 18 日 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 II 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 3 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请
11、在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：谈荣康 指导教师签名：曹 健 日期：2006 年 5 月 18 日 日期：2006 年 5 月 18 日 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论第一章 绪论 1.1 引言引言 随着电子仪器仪表设备数字化趋势日益增强，传统模拟仪器仪表已越来越 不能满足用户的需要，不论是其精度，还是其灵活性、体积、重量、便携程度 等各方面都已不能满足要求。信号发生器及电平表等仪器仪表也不例外，急需 采用新的技术开发出能适应信息时代、数字化潮流的新型仪器。 传统信号发生器中的信号均为模拟信号，由电感、电阻、电容等基本元器 件构成，基本上可分为四大类，第一类是频
12、率可变的振荡源，它通过改变电路 上充放电的电流来改变正弦波的振荡频率；第二类是压控振荡器，即 VCO，这 类信号发生器利用斜波扫描电压（电流）控制产生扫频振荡器；第三类利用间 接合成技术，即利用锁相环 PLL 技术。该技术利用锁相环完成对参考频率源的 加、减、乘、除运算，从而得到预期的频率。锁相环技术具有良好的窄带跟踪 特性，可以根据需要选择频率信号。相对于直接模拟频率合成而言，锁相环具 有频谱纯度高，能有效抑制杂散分量且结构简单、易于集成等特点。但是，锁 相环存在高分辨率和快速转换速度之间的矛盾，因此通常只用于大步进频率合 成技术中；第四类技术为直接模拟合成技术，它是早期使用的一种较为广泛的
13、 技术。直接模拟合成利用倍频（乘法） 、分频（除法） 、混频（加减法）和滤波 技术，从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生所需的频率。该方法 的优点是频率转换时间短（小于 100ns） ，载频相位噪声好等。但缺点是实现设 备体积大、功耗大且易产生过多的杂散分量，频谱纯度不高，合成的正弦波的 幅度、相位等参数难以控制。 从上述讨论可以看出，这四种信号发生器都具有电路复杂、成本高、频率 步进幅度难以控制、分辨率偏低、生成及调试困难、频率越高越容易受到寄生 参数影响、频率稳定度差、精度低等方面的不足。 直接数字合成技术1（DDS 技术）的出现非常顺利地解决了上述不足，在仪 器仪表领域，特别是信
14、号发生器领域产生了举足轻重的影响。 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 2 1.2 DDS 技术介绍技术介绍 早在 1971 年，在由美国学者 J.Tierney 等人撰写的“A Digital Frequency Synthesizer”一文中首次提出了利用全数字技术，从相位概念出发直接合成所 需波形的一种全新的数字频率合成原理。由于受当时的技术水平和器件性能等 方面的限制，它的性价指标尚不能与当时已有的技术相比，故未能受到重视。 近几年来， 随着微电子技术的迅速发展， 直接数字频率合成器 （Direct Digital Frequency Synthesis 简称 DDS 或 DDFS）得
15、到了飞速的发展，它以有别于其它 频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的核心。 DDS 技术的实现依赖于高速数字电路的产生，目前，其工作速度主要受 D/A 变换器的限制。利用正弦信号的相位与时间呈线性关系的特性，通过查表的方 式得到信号的瞬时幅值，从而实现频率合成。DDS 具有超宽的相对宽带，超高 的捷变速率，超细的分辨率以及相位的连续性，可编程全数字化，以及可方便 实现各种调制等优越性能。 但存在杂散大的缺点， 限于数字电路的工作速度,DDS 的频率上限目前还只能达到数百兆,限制了在某些领域的应用。 1.2.1 什么是直接数字合成（什么是直接数字合成（DDS） 直接数字合成技术（
16、DDS）是一种通过生成数字时变信号，以产生模拟波形 的技术手段，由于 DDS 设备内的操作以数字形式为主，因此，这项技术能提供 快速的输出频率之间切换以及精细的频率分辩率，并且可以对很宽广的频率范 围进行操作。随着设计和加工技术的飞速发展，如今的 DDS 设备体积非常小而 且功耗非常低，越来越得到更多专业人士的关注和使用。 对设计人员而言，频率生成技术有多种选择，包括基于锁相环技术 PLL （phase-locked-loop）的很高频率的合成，以及低频 DAC 动态编程技术以生成 任意波形的信号等，但 DDS 技术最受用户的偏爱，因为它是单片 IC 设备，能生 成可编程的模拟输出波形，而且分
