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：

如图所示，相位增量寄存器（FIR ）寄存频率控制数据，相位累加器完成相位累加的功能，波形存储器存储波形数据的单周期幅值数据，D/A 转换器将数字量形式的波形幅值数据转化为所要求合成频率的模拟量形式信号，低通滤波器滤除谐波分量。

CPU PIR 相位 累加器 地址 寄存器 波形 存储器

D/A 转换 LPF

时钟

Fclk

OUT

六、分部电路设计与仿真（一）、频率控制电路图

（二）、频率显示电路图

此图可完成五位频率显示，显示器从右至左依次为个位、十位、百位、千位、万位。

（三）、频控与频显整体图

仿真结果如下：

电路完成了信号频率20hz~20khz的渐变，步长为5HZ。

（四）、数字信号存储与滤波电路

仿真图如下：

通过对数字信号的写入与存储，可转变为模拟信号，得到正弦波形，但在波形产生中出现了毛刺现象，未能完全消除。

（五）低通滤波电路图

本系统采用了RC低通滤波器，滤除系统的高频部分。在信号的产生过程中，会有一些高频信号对信号产生干扰，这对系统极为不利，由于系统的频率输出范围为0-15KHZ，所以根据RC滤波器的公式

f=1/2πRC，

将系统的最高频率20KHZ代入f，得到RC的参数。具体电路图如图所示。

（六）、加法器电路

仿真图如下：

（七）、幅度控制电路

仿真如下：

（八）、方波占空比可调电路

仿真如下：

附录：整体设计电路图