基于dds的实用信号源的设计与制作 完美版

摘要

信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验室中经常使用的电子仪器之一。本文采用分立元器件设计了可输出正弦波和脉冲波的信号发生器，介绍了信号发生器的工作原理、电路参数计算方法、电路仿真结果，并进行了电路制作。

所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。采用RC振荡方式产生振荡信号，通过二极管IN4148和运放TL082实现振荡信号稳幅，调幅之后输出正弦波信号，再经电压比较器和调幅电路实现脉冲波的占空比和幅度的变化。采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段和步进。

本文设计的信号发生器具有结构简单、成本低、体积小等特点，经仿真和实际电路制作验证，其产生的正弦波和脉冲波频率、占空比、信号幅度可调，频率步进5Hz，矩形波可步进调整占空比, 不影响频率, 步长小于1%, 波形有较好的边沿特性。

关键词：信号发生器；频率歩进；占空比

一、实用信号源的设计和制作任务

在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。

二、要求

1．基本要求

（1）正弦波信号源

①信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

②频率稳定度：优于10-4

③非线性失真系数≤3%

（2）脉冲波信号源

①信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

②上升时间和下降时间：≤1μs

③平顶斜降：≤5%

④脉冲占空比：2%～98%步进可调，步长为2%

（3）上述两个信号源公共要求

①频率可预置。

②在负载为600Ω时，输出幅度为3V。

③完成5位频率的数字显示。

2．发挥部分

（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。

（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。

（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。

（4）降低正弦波非线性失真系数。

三、评分标准

项目

得

分

基本要求设计与总结报告：方案设计与论证，理论计

算与分析，电路图，测试方法与数据，结果

分析

50

实际制作完成情况50

发挥部分完成第一项10 完成第二项10 完成第三项 5 完成第四项 5 特色与创新20

四、方案比较

方案一：利用RC文氏桥振荡----稳幅振荡---正弦波调幅----电压比较---脉冲波调幅----整形。

这种方案的优点在于可实现性强、电路结构比较简便，但缺点在于波形精度不高、失真度较大，不能准确的实现设计要求。

方案二：采用单片机最小系统产生波形。

目前，单片机技术已成为电子技术发展中一个重要的方向。采用单片机的优点在于规模较小成本较低，能通过编程产生多种波形。但这种方案除了要求完成基本的处理分析外，还需要完成信号的采集外，还需要完成信号的采集、存储、显示等变换工作、这样就影响了系统的速度，增加了系统的干扰，使系统的精度大大降低。而且采用单片机编程较复杂，需要占用大量的存储单元。

方案三：；利用555定时器

采用555组成的多谐振荡器可以在接通电源后自行产生矩形波，再通过积分电路将矩形波转变为三角波，再经积分网络转变为正弦波。

波形转变框架图

思路

积分器（低通滤波）

积分器波

﹍

方案四：采用直接数字频率合成技术

直接数字频率合成（DDFS ）技术是一种把数字量形式的信号通过DAC 转换成模拟量形式的信号的合成技术，被广泛应用于通信领域。采用DDFS 的优点在于具有较高的频率分辨率，输出波形毛刺少，可以实现快速频率切换，并且在改变时能够保持相位的连续，很容易实现频率、幅度的数控调制。采用现场可编门阵列（FPGA ）作为DDFS 的实现器件，外围电路结构简单，编程容易，测试方便，精度高，幅度和频率范围宽，功耗小。故采纳方案三作为设计的依据。

五、DDS 的基本原理

我们知道，对于正弦信号发生器，它的输出可以用下式来描述：

π2sin(sin out out t

f A t A S ==ω

其中S out 是指该信号发生器的输出信号波形，f out 指输出信号对应的频率。上式的表述对于时间t 是连续的，为了用数字逻辑实现该表达式，必须进行离散化处理。用基准时钟clk 进行抽样，令正弦信号的相位：

f out

π2=θ

在一个clk 周期T clk 内，相位的变化量为：

其中f clk 指clk 的频率，对于，可以理解成“满”相位。为了对进行

多谐振荡器

方波 三角波

正弦波

数字量化，把切割成2N 份，由此，每个clk 周期的相位增量可用量化

值来表述为B 2π

2⋅∆≈∆θθ

且为整数。与上式联立，可得：

out

2

f

f B N =∆θ

显然，信号发生器的输出可描述为：

)(

θθθθθ-+=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡+⋅=+=--B

B Af B B A A S k k N k 11sin Δ1out 2

π2sin )Δsin(其中，指前一个clk 周期的相位值，同样可以得出

k k B 2

π21

1⋅≈

--θθ

由上面的推导可以看出，只要对相位的量化值进行简单的累加运算，就可以得到正弦信号的当前相位值；而用于累加的相位增量量化值决定了信号的输出频率f out ，并呈现简单的线性关系。直接数字合成器DDS 就是根据上述原理而设计的数字控制频率合成器。所示是一个基

本的DDS 结构，主要由相位累加器、相位调制器、正弦ROM 查找表和

D/A 构成。图中的相位累加器、相位调制器、正弦ROM 查找表是DDS 结构中的数字部分，由于具有数控频率合成的功能，又合称为NCO(Numerically Controlled Oscillators)。 DDS 技术原理图：