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1、 毕业设计(论文)开题报告题 目： 基于DDS的多波形发生器研究与设计 学 院： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导老师： 2015年03 月 10日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文
2、献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文 献 综 述一. 课题研究的背景及其意义常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，但这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，并且体积和功耗都很大。随着微电子技术的迅速
3、发展，直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，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姣姣者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。函数信号发生是各种测试和实验过程中不可缺少的工具，在通讯、测量、雷达、控制、教学等领域应用十分广泛。不论在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。 二.直接频率合成技术的现状和应用DDS是一种采样数据
4、系统，因此必须考虑所有与采样相关的问题，包括量化噪声、混叠、滤波等。例如，DAC输出频率的高阶谐波会折回奈奎斯特带宽，因而不可滤波，而基于PLL的合成器的高阶谐波则可以滤波。随着科学技术的日益发展这种频率合成方法也越来越体现出它的优越性来。DDS是一种全数字化的频率合成方法。DDS频率合成器主要由频率寄存器、相位累加器、波形ROM，、DA转换器和低通滤波器组成。在系统时钟一定的情况下。输出频率决定于频率寄存器的中的频率字。而相位累加器的字长决定了分辨率。基于这样的结构DDS频率合成器具有以下优点：(1)频率分辨率高，输出频点多，可达2“个频点(假设DDS相位累加器的字长是N；(2)频率切换速度
5、快，可达瑚量级；(3)频率切换时相位连续：(4)可以输出宽带正交信号；(5)输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；(6)可以产生任意波形；(7)全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。直接数字频率合成器DDS(Derect Digital Synthesizer)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。一个直接数字频率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存储 ROM、DA 转换器和低通滤波器(LPF) 组成。DDS的组成结构如图1 所示。其中，K 为频率控制字( 也叫相位增量) ，P 为相位控制字，W 为波形控制字，fc 为参考时钟频率，N 为相位累加器的字长，D 为R
6、OM数据位及DA 转换器的字长。相位累加器在时钟fc 的控制下以步长K 累加，输出的N 位二进制码与相位控制字P、波形控制字W 相加后作为波形 ROM的地址来对波形ROM进行寻址，波形ROM输出的D 位幅度码S(n) 经DA 转换变成阶梯波S(t)后，再经过低通滤波器平滑，就可以得到合成的信号波形。由于合成的信号波形取决于波形ROM中存放的幅度码，因此，用DDS可以合成任意波形。如下是DDS的基本结构：图1 DDS的组成结构波形随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能
7、化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自和智能化方向发展。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电
8、路复杂程度会大大增加。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。 当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模
9、拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号HP770S的信号模拟装置系统，它由 HP8770A任
10、意波形数字化和 HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8 种波形，而且价格昂贵。不久以后Analogic公司推出了型号为 Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为9100 的任意波形发生器等。 到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过1GHz 的DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003 年，Agilent的产品 33220A能够产生 17种波形，最高频率可达到20MHz，2005年的产品N6030A能够产生高达 500MHz的频率，采样的频率可达 1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很
11、快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：(1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic ,Visu
12、al C 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。（2）与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪
13、器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz ，可以形成 256 点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越
14、好。以下给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。从中不难看出，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪,频谱仪及其它部分自动测试设备的组成部分，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使用相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精度和低失真的任意波形，其输出频率范围为1uHz80M
15、Hz而输出幅度为10mVpp10Vpp,该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz4GHz。国产SGI1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分频率、高精度、高可靠性的各种波形，频率覆盖1uHz60MHz；国产SI000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源，同时应用DDS和锁相技术，使频率范围从1uHz1024MHz能精确到分辨率到100Hz，它既是一台高精度的扫频源，同时也是一台高精度的标准型号发生器。还有很多其它类型的信号发生器，他们各有各的优点，但是信号发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能
16、化方向发展。就目前国内的成熟产品来看,我国目前在波形发生器的种类和性能差距正在逐渐地缩小。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为三大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。方案一：波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理嗍也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变
17、。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高；对于频率低于几MHz，特别是在几百Hz时，常采用RC振荡电路。RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。其中，以文氏桥振荡电路最为常用。目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来实
18、现。采用这种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038(最高频率可达40MHz)和ICL8038(最高频率为300kHz)。方案二：波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。虚拟仪器促使传统仪器发生了革命性的变化，是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板
19、(如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面)，在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。实现任意波形发生器的功能。采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法。方案三：软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器为核心。辅以键盘
20、控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，比如通过软件编程控制实现波形的存储、运算、打印等功能，采用USB接口设计，使波形发生器具有远程通信功能等。目前，实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。综合考虑，纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外，基本不被采用。纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要
21、求不是很高的场合。相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。本文提出的采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了美国AD 公司的AD9850 芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850 的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查
22、询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节，调节关系位ISET=32（1.148V/RSET）,RSET的典型值是3.9k。将DAC的输出经低通滤波后接到AD9850内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动很小的方波。其系统功能如图2所示。图2 内部构造图AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之间后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出，此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。在125MHz的时钟下，32位的频率控制字可使AD9850的输出频率达到0.03Hz；并具有
23、5位相位控制位，而且允许相位按增量值进行调整。三、参考文献1 2001年全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编，北京理工大学出版社2001. 2 何立民、单片机系列教程原理与应用M北京：北京航空航天大学出版社，1999 3 刘国荣单片机原理及接口技术M北京：北京航天航空大学出版社，1994 4 康华光电子技术基础M北京：高等教育出版社，1998. 5 周航慈,等.单片机程序设计基础M. 北京:航空航天大学出版社,1999. 6 张玉兴. DDS高稳高纯频谱频率源技术J. 系统工程与电子技术. 1997（2）24-287 郑宝辉. 直接数字频率合成器相位截断误差分析J. 无线电工程.1998（6）1
24、-5 8 高玉良，李延辉，俞志强现代频率合成与控制技术北京：航空工业出版社，2002, 15-1509 冯 程. 用直接数字频率合成器产生正弦波J. 华中科技大学学报. 2003. 7 10 张庆等.程控信号源的数字调频设计哈尔滨：电测与仪表。2001，(8)：2931.11 J.Vankka,Methods of mapping from phase to sineamplitude in direct digital synthesis，IEEE Proe，50th AFCS，1996，94295012 J.Vankka,Spur reduction techniques in sine
25、output direct digital synthesis，IEEE Proc，SOth AFCS，1996，95l95913 朱立蜂，正确理解任意波形发生器的技术指标，国外电子测量技术，1996(4)，272914 李维提，郭强，液晶显示应用技术，电子工业出版社，2000年3月第一版15 朱立蜂，正确理解任意波形发生器的技术指标，国外电子测量技术，1996(4)，272916 任意波形发生器可用性增强，微电子测试，1997(12)，20-2117 方坤鹏，直接数字频率合成器(DDS)的频谱分析，电信快报，2000（3)，3234 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的
26、目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、课题的目的与意义 通过本课题的研究，学生可以了解简单电子设备的设计方法和控制方法，提高学生的实际动手能力。进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力,基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力。二、课题发展现状和前景展望随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，信号发生器带有微处理器，因
27、而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率、精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测
28、控、 通讯等领域都得到了广泛的应用。早期的信号发生器机械结构比较复杂，电路比较简单，但功耗比较大因此发展速度比较缓慢。直到60年代，信号发生器有了迅速发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，有分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单的波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差。自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，数字化技术在电子测量仪器中的广泛应用，使原有的模拟信号处理初步被
29、数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力。三、课题主要内容和要求(1)、研究信号发生器的设计原理；(2)、研究多正弦波、三角波、方波以及任意函数波形信号的产生方法及控制方法；(3)、基于单片机设计信号发生器的硬件平台；(4)、设计信号发生器的控制软件。总体要求：实现正弦波、三角波、方波以及任意函数波形信号的输出；实现输出信号的频率、幅值、相位、占空比可调；频率范围100Hz-60KHz。四、研究方法、步骤和措施1、在查阅资料、咨询老师的基础上进行总体理论分析与设计。2、根据设计内容首先选择单片机、信号发生器等主要器件，然后进行单片机系统、信号发生电路系统、频率显示电路以及放大电路的设计，最后编写单片机控制外围信号发生芯片的接口程序，实现单片机的数字信号输出功能。3、根据硬件设计，编制相应的逻辑代码调试。4、进行毕业设计说明书撰写毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日