基于STC89C52RC单片机的DDS程控信号发生器设计方案

专业综合实践 1 基于 片机的 控信号发生器设计方案 一、概述 1. 构简介 1971 年，美国学者 人撰写的“ A 相位概念出发直接合成所需波形的一种新组成原理。限于当时的技术和器件产，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故没受到重视。近几年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（ 称 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佼佼者。具体体现在相对带宽、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。 直接数字式频率合成器（ 英文缩写。与传统的频率合成器相比， 有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。 直接数字频率合成器（ 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由相位累加器、加法器、波形存储 D/A 转换器和低通滤波器（ 成。 原理框图如下所示： 图 理框图 累加器 加法器 加法器 ，基本要求为有智能 片（单片机、嵌入式系统、主控芯片，以专用 片为实现手段，辅助输入、输出手段，完成程控 设计与制作。 技术指标： 1、最终频率输出范 围为 108弦波）； 2、外部供电电压 +5v、 -5 v； 3、输出波形幅度范围（正弦波峰峰值）： 0 到 3V 连续可调； 4、八位 码管或点阵 示输出频率； 5、输出频率可设置调整（最小设置步长 10 6、主控 芯片自行选择； 7、绘制 路板实现。 工程性要求： 1、两人为一个项目组，由一人当组长； 2、每个项目器件成本控制在 100 元以下（不包括 单独的 ），同等条件下，成本低的项目分数有加分； 3、有项目整体设计报告、项目的进度表和最终的测试报告和使用手册 ； 4、以项目组为考核整体，兼顾小组分工； 5、制作焊接工艺（贴片工艺）； 6、整体产品结构合理，使用方便、美观 专业综合实践 3 二、系统总体设计方案 本文提出的采用 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 A/D 公司的片 ， 并通过单片机程序控制和处理 件 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 。 本系统主 要由单片机 、 接频率信号合成器 、 数字衰减电路 、 真有效值转换模块 、 A/ 数字积分选择电路等部分组成 。 单片机 整个系统关键部分，通过对键盘进行扫描读入相位信息，经转换后输出到 片，输出波形。键盘输入的数字信息经制的 示。 2总体设计方案选择 在设计初期，我小组一共提出两套设计方案。 方案一： 采用 为 件，配以椭圆滤波电路，运算放大电路。系统框图如下： 图 选用 方案一设计系统框图 专业综合实践 4 方 案 3： 采用 为 件，配以运算放大电路组成方案二。系统框图如下： 图 选用 方案二设计系统框图 经过认真比较选择，我们小组最终确定采用方案二进行设计实现。主要原因有一下几点： 1、相比于方案一， 片管脚少，电路更加简洁明了，方便进行布线焊接。 2、 片开发时间比较晚，技术更加成熟，芯片内部内置了滤波部分，使得系统整体的电路设计更加简单，而且输出波形更加稳定。 所以，最终我们选定方案二，作为本次 号发生器的设计方案。 专业综合实践 5 三、系统硬件模 块的设计实现 系统整体硬件设计如下图所示： 图 统整体硬件设计图 图 统整体硬件实物图 专业综合实践 6 图 盘控制电路原理图 通过键盘对波形的频率进行控制。 按键 1：功能切换键。按下之后，进入频率改变步长选择功能，分别由按键 2、 3 控制频率步长选择，步长分别由 101101001个选项。 按键 2：在默认系统模式下，控制频率增加默认步长 1按键 1 按下进入步长调整模式下，控制步长增加。 按键 3：在默认系统模式下，控制频率增加默 认步长 1按键 1 按下进入步长调整模式下，控制步长减小。 按键 4、 5：默认系统模式下无功能。在按键 1 按下进入调整模式下，控制输出信号的频率按照当前选择的步长分别增加、减小。 图 盘控制电路实物图 专业综合实践 7 片机）控制模块以及最小系统组成 主控电路中，以单片机为主体，通过分析键盘输入的数字值，对 入相应的控制字。它是系统的大脑。单片机（ 称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机算计，这些部件包括中央处理器 据存贮器 序 存贮器 时器 /计数器和多种 I/O 接口电路。 钟电路： 图 钟电路组成 片内振荡器的反相放大器输入端， 是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 空。 内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 12钟频率就为 6振的频率可以在 1选择。电容取 30右 。 有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 别是该放大器的输入端和输出端。这 个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容 在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容 然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里采用电容 30振采用 12 位电路： 外部复位电路有上电自动复位和手动按键复位。上电复位电容充电来实现。 图 片机最小系统电路组成 专业综合实践 8 示模块连接 设计 现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。 1602 型 示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。 1602 型 以显示 2 行 16 个字符，有 8 位数据总线 R/W， 个控制端口，工作电压为 5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。 基本操作程序 读状态：输入： ， ， E=H 输出： 态字 读数据：输入： ， ， E=H 输出：无 写指令：输入： ， ， 令码， E=高脉冲 输出： 据 写数据：输入： ， ， 据， E=高脉冲 输出：无 单片机连接如下图所示： 图 单片机连接示意图 1、 管脚 1，接地 、 管脚 2，接 源 +5V 3、 管脚 3，在 间接电位器，然后把电位器滑动调整口接 3，实现对 度（对比度）的调整功能。 4、 管脚 4应接单片机 管脚 10以写入控制字。 5、 管脚 7应接单片机 管脚 21为第二组 。 专业综合实践 9 单片 机的连接。 图 片机与 连接示意图 图 围电路设计图 图 片机最小系统组成、单片机与 接以及 围电路实物图 专业综合实践 10 算放大电路 本身 输出的波形经过内置的滤波放大之后，可是成为便于示波器显示的波形，干扰小，幅值稳定，但是考虑到幅值可调功能的实现，因此加入运算放大电路，通过反馈接入的电位器的阻值与运算放大器正接入的电阻阻值的比值，对输出信号进行放大，通过电位器的调节实现对信号幅值可调功能。 至 于选用 算放大器，而不选用成本更低的 ，是因为本次设计的信号发生器输出信号范围在 10 8间，属于高频信号，超过普通 算放大器件的运算放大范围。 算放大电路部分设计如图： 图 算放大电路原理图 图 算放大电路实物图 专业综合实践 11 四、软件设计与调试 1. 程序流程图 通过程序预置频率，并实现对频率步进的控制，处理用户由键盘键入的频率值，判断是否超出范围，生成频率控制字，经并行方式送入 成用户所需的频率， 并通过程序实现频率的显示。 程序流程图如下 时钟频率很高，对周围电路有一定影响 ，在电路中 采取了一些抗干扰措施，如：引线尽量短，减少交叉，每个芯片的电源与地之间都解忧去耦电容，数字地与模拟地分开。 在 选取的阻值为 1000左右 开始 主程序输入 初始化 示 键盘扫描 是否有键按下？ 处理按键 频率字修改 据更新 否 是 专业综合实践 12 2. 软件调试 本系统的软件调试 可以在 环境中完成 ， 统 为软件的开发和调试提供了良好的用户界面和强大的功能 ，程序 调试无误后 ， 可以装入 进行仿真，也 可以直接下载到单片机 中进行 调试。采用自下而上即单独调试好每一个模块后，再连接成一个完整的系统调试。 系统软件完整代码，见本报告最后附录。 五、系统调试及测试结果 图 试结果图（图中信号输出频率 4 专业综合实践 13 六、专业综合实践总结 本次专业综合实践完成的主要工作是完成单片机控制 生正弦信号，并能显示出相对应的频率，且使频率在 10范围内，以 101101001步长进行调整。 通过搜集目前 术的相关资料，了解国内外 号发生器的相关制作方法，并通过设计方案的比较，针对设计任务提出了可行方案。 在设计方案中，结合单片机的功能特点及其控制特性，利用简便的单片机 言和其内部时钟，以单片机作为控制的核心。根据设计方案，详细地阐述了单片机的控制原理、 的制作，设计了相应的硬件电路和系统软件，制作了电路原理样机并进行调试。结果表明，所设计的电路和软件能完成基本的测试功能。 本次专业综合实训结束了，留给了我很深的思考，只有通过学习才能获得知识，开始时并不是什么都会，但是只要努力了就一定会有 收获 虽然中间的过程很辛苦，但是只要有结果，在繁琐复杂的过程，也是值得的。 当然，在比呢此综合实训中，我也深切体会到，电子信息工程师的设计工作是必须严谨的，仔细的。一开始，本打算使用 设计，因为布线错误，导致 无法使用，给自己实验造成困难的同时，也极大地浪费了实验资源和成本。 最后在此，感谢为我们实验过程中提供指导的 师，在开放性实验过程中，为我们提供实验室元件方便的各位信息学院实验室管理老师。在焊接制作过程中，由于器材问题无法自己动手焊接 片转直插，北京 究生 学也无私的为我们提供帮助，帮助我们焊接了 片转直插，在此特地表示感谢。 在大学生涯即将结束的时候，进行的这次专业综合实践，即是对整个大学生涯学习的检验，也是为下学期的毕业设计做预言。经过本次专业综合实训，我们一定以更加严谨认真的治学态度，面对以后的求学、职业生涯，以本次实验中的经验和教训，为以后成为一名合格的电子信息工程师打下坚实的基础，为国家现代化信息化建设作出自己的贡献。 专业综合实践 14 七、参考文献 1 张景璐 . 51 单片机项目教程 M民邮电出版社， 2 姜志海 M. 北京：电子工业出版社 ,3 沈德金 . 列单片机接口电路与应用程序设计 M京航空航天大学出版社，4 李群芳 M子科技大学出版社， 5 公茂法 . 单片机人机接口实例集 M京航空航天大学出版社， 6 D W of . 北 京 :7 刘建辉 M防工业出版社， 8 闫玉德 片机原理与应用（ C 语言版） M械工业出版社， 9 张永瑞 M安电子科技大学出版社， 9 刘伟 片的信号发生器的研究 M州大学出版社， 10 马明建 M安交通大学出版社， 业综合实践 15 八、附录 附录 1：电路原理图设计 专业综合实践 16 附录 2：软件设计完整代码 #*定义端口 30; 31; 32; 33; 34; 35; 36; 37; = ; /能引脚 ,低电平 有效 = ; /行时钟输入 ; /行数据输入 /* # 11 /频率寄存器选择 # 10 /相位寄存器选择 # 8 / # 5 # 3 # 1 # 0 /正弦波 # 1 /三角波 # 2 /方波 # 3 /方波（频率为 1/2） /*定义显示能容 6=Y: ; 6= ; 6= ; 6= , , ; 6=*1M ; 6=*100; 专业综合实践 17 6=*10; 6=*1 ; 6=*100; 6=*10; 6=*1 ; /* /*延时子程序 i; i=0;i14); /写入高 14 位频率字 p = p & 0 /截取 12 位 p); t = (0=8000000) 000000; if(0) 00); pl=if(000000) 000000; if(0) 00); pl=if() i=6; if(0) 00); if(i=8000000) 000000; if(0) 00); pl=if(000000) 000000; if(0) 00); pl=if(000000) 000000; if(0) 00); pl=if(000000) 000000; if(0) 专业综合实践 27 00); pl=if(000000) 000000; if(0) 00); pl=if(000000) 000000; if(0) 00); pl=if(000000) 000000; if(0) 00); pl=if(0) ; /_ if(0) 00); /* 0); 专业综合实践 30 /* 附录 3：元件清单及报价单 专业综合实训项目物料清单 产品名 控信号发生器 元