基于DDS正弦信号发生器设计

引言

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数(波形)信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器[7]。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

正弦信号发生器的实现方法通常有以下几种：

(1)用分立元件组成的信号发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。　 (2)采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。采用锁相环间接频率合成PLL)。虽然具有工作频率高、宽带、频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数(如幅度、频率和相位等)都很难控制，不易实现[]。DDS)芯片的信号发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。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微妙)，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控DDS有如下优点：

①频率切换时间短

DDS的频率转换可以近似认为是即时的，这是因为它的相位序列在时间上是离散的，在频率控制字K改变以后，要经过一个时钟周期之后才能按照新的相位增量增加，所以也可以说它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期=1/。如果 =10MHz，转换时间即为100ns，当时钟频率进一步提高，转换时间将会更短，但再短也不能少于数门电路的延迟时间。目前，集成DDS产品的频率转换时间可达10ns的量级，这是目前常用的锁相频率合成技术无法做到的。

②频率分辨率高

DDS的最低输出频率△ =△ = / M=/，也就是它的最小频率步进量,其中N为相位累加器的位数，可见只要相位累加器有足够的字长，实现非常精密的分辨率没有多大的困难。例如可以实现Hz，MHz甚至ｕHz的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现这样的频率分辨率十分困难，甚至是不可能的 。

③相位变化连续

DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位的增产速度。当频率控制字由K1变为K2之后，它是在己有的积累相位nK1δ之上，再没次累加K2δ，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其斜率发生了突变，因而保持了输出信号相位的连续性。

④具有低相位噪声和低漂移

DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数DDS系统应用中，一般由固定的晶振来产生基准频率，所以其具有极好的相位噪声和漂移特性。

⑤易于集成、易于调整

DDS中除了D/A转换和滤波器之外，几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，不需要任何调整。

⑥可以产生任意波形

用专用直接数字合成芯片的DDS(Direct Digital Synthesizer)芯片AD9850以及一个单片机来设计一个正弦信号发生器。本设计的指标要求如下：

(1)利用DDS产生单频正弦信号； (2)正弦波输出频率范围：1KHz～10MHz； (3)扫频输出频率范围为1K～10MHz，输出电压范围为0.1V～2V; (4)具有频率设置功能，步进为1KHz。

2.2 方案论证

2.2.1 系统总体方案论证

方案一:采用数控电压控制的压控振荡器(voltage-controlled oscillator简称VCO)。运用电感和变容二极管构成LC 正弦谐振电路,通过微处理器改变变容二极管的控制电压,达到电容值改变,从