毕业设计（论文）-基于DDS的信号发生器设计.doc

i 基于 dds 的信号发生器设计 摘要 信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的信号发生器 又称信号源或振荡器。信号发生器是一种在科研和生产中经常用到的基本波形产生器， 用来产生正弦波，方波，三角波，锯齿波等信号。信号发生器是除具有电压输出外，有 的还有功率输出，所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放 大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外，在 校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。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也常常要用到信号源。它作为一种测量用的信 号源在电子、通信领域有着广泛的应用。而我们通常在实验室里接触到的试验仪器都是 基于硬件设计的，因为受到带宽的限制，实验室要用很多种信号发生器，例如：高频信 号发生器、低频信号发生器。 现今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。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。 本文主要内容是基于直接数字频率合成(dds)原理,利用 at89c52 单片机作为控制器 件,采用 ad9850 型 dds 器件设计一个信号发生器。给出了信号发生器的硬件设计和软件 设计参数,该系统可输出正弦波、方波,且频带较宽、频率稳定度高,波形良好。 关键词：信号发生器，直接数字频率合成，at89c52 单片机 ii design of a numerical control current power abstract signal generator, also known as source or oscillator, in the areas of production practices and technology has a wide range of signal generator, also known as source or oscillator. signal generator is a kind often used in scientific research and production of the basic waveform generator, used to generate sine, square, triangle wave, sawtooth and other signals. in addition to the signal generator is a voltage output, the others have power output, so a wide range of uses, can be used for testing or repair of electronic equipment in the frequency characteristics of low- frequency amplifier, gain, pass-band, also be used as high external modulation frequency signal generator source. in addition, the calibration of electronic voltmeter, it can provide the ac signal voltage. in scientific research and production practice, such as industrial process control, biomedical, mechanical vibration and seismic modeling areas often use to signal source. it is used as a measurement of the signal source in the electronics, communications has been widely used. we often come into contact with in the laboratory test apparatus are based on hardware design, because by the bandwidth limitations, it takes a variety of laboratory signal generator, for example: high-frequency signal generator, low frequency signal generator. current signal generator experiments and equipment testing at the circuit has a very wide range of uses. for example, in telecommunications, broadcasting, television systems, require radio frequency (rf) transmitter, where the rf wave is the carrier, the audio (low frequency), the video signal or pulse signal carried out, we need to generate high-frequency oscillator. in industry, agriculture, biomedical and other fields, such as the high-frequency induction heating, melting, quenching, ultrasound, magnetic resonance imaging, need power or large or small, high or low frequency oscillator. in this paper, the content is based on the direct digital synthesizer (dds) theory, using at89c52 microcontroller as a control device, the ad9850 dds device type to design a signal generator. gives the signal generator hardware design and software design parameters, the system can output sine wave, square wave, and wide bandwidth, high frequency stability, wave good. key words：signal generator, direct digital synthesis, at89c52 microcontroller iii 目 录 第 1 章 绪论 .1 11 引言1 12 研究背景1 13 信号发生器的现状及发展趋势1 131 信号发生器的现状 .1 132 信号发生器的发展趋势 .2 133 信号发生器发展存在问题 .2 14 本文主要研究内容3 第 2 章 系统的设计方案 .4 21 系统总体设计方案4 22 信号生成方案的选择 4 23 幅度调节电路方案的选择 5 24 输入方式方案的选择 5 25 显示部分方案的选择5 第 3 章 系统核心器件的选择及其开发环境的使用 .6 31 系统核心器件的选择 6 32 系统开发平台的介绍 7 第 4 章 系统设计的实现 .8 41 信号发生模块的设计实现 8 411 信号发生模块硬件方案 .8 412 信号发生模块软件设计 11 42 输入显示模块的设计实现 .13 421 输入显示模块硬件方案 13 422 输入显示模块软件设计 14 43 信号幅度数控预置电路的设计实现 .15 44 波形选择功能部分的设计实现 .15 44 自制稳压电源的设计实现 .16 第五章 系统测试 17 51 系统各模块的连接 .17 iv 52 系统测试 .19 结论 .22 参考文献 .23 谢辞 .24 附录 1 信号发生器设计实物图25 附录 2 源程序26 基于 dds 的信号发生器设计 1 第 1 章 绪论 11 引言 直接数字频率合成（dds）是近年来发展迅猛的一种新的频率合成技术。由于 dds 具 有超高速的频率转换时间，极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时， dds 器件能够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制，此外还具有可编 程控制的突出优点。因此，直接数字频率合成器成为当今电子系统及设备中频率源的首 选器件。本文在介绍 dds 原理的基础上，重点介绍利用 dds 技术采用单片机 at89c51 控 制 ad9850 芯片实现多功能函数发生器的设计方案。 12 研究背景 随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围数字/模拟（d/a）转换器的出现和广 泛应用，用数字控制方法从一个标准参考频率源产生多个频率信号的技术，即直接数字 合成（dds）技术异军突起。利用 dds 技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位 可控的信号，这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应 用前景。美国 ad 公司推出的高集成度频率合成芯片就是采用 dds 技术的典型产品之一。 13 信号发生器的现状及发展趋势 131 信号发生器的现状 现今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1。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。 函数信号发生器的实现方法通常有以下几种： 1）用分立元件组成的函数发生器：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）可以由晶体管、运放 ic 等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器 ic 产生。早期的函数信号发生器 ic，如 l8038、ba205、xr2207/2209 等，它们的功能较 少，精度不高，频率上限只有 300khz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活， 频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 2 3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调 试。鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器 icmax038，它克服了芯片的缺 点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。max038 频率高、精度好，因此 它被称为高频精密函数信号发生器 ic。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制 器等电路的设计上，max038 都是优选的器件。 4）利用专用直接数字合成芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的 频率。但成本较高。 随着科学的进步，通信、电子、测量等技术的飞速发展，传统的硬件仪器接受着越 来越多的挑战，首先传统的仪器只能对数据进行输出、测量，不能与计算机进行相互通 信，对数据进行采集、分析以及对数据的准确判断。其次传统仪器是以硬件的搭接线路 为主，线路复杂，容易出现故障。而最重要的是硬件系统的成本高，并且目前我国很多 台式仪器还主要依靠进口。在这样的形式下，虚拟仪器应运而生。 132 信号发生器的发展趋势 经过 20 年的演变和改进，在基于 pc 的测量自动化领域，labview 确立了其主导地位， 并成为了业界的事实标准。同时也给传统的教学研究带来了巨大的变化。一个基于计算 机的自动化实验室能大大提高研究人员的工作效率并改进学习方式。不用花大量的时间 和精力在试验系统设备的搭建中5。在国外，虚拟仪器技术已经是很多大学独立开设的 一门课程，在国际测试、测控行业比较流行；相信在未来的几年中，它也同样会流行在 我国的各个大学理工科院系以及各种测控行业中。 随着大规模集成电路的迅速发展，多功能信号发生器已被制作成专用集成电路，如 国内生产的 5g8038 单片函数波形发生器，可以产生精度较高的正弦波、方波、矩形波， 锯齿波等多种信号。该产品与国外的 icl8038 功能相同。产品的各种信号频率可以通过 调节外接电阻和电容的参数值进行调节，为快速而准确地实现函数信号发生器提供了极 大的方便。 133 信号发生器发展存在问题 凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电 路所需特定参数的电测试信号。 （1）在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频 率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟 在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用 振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽 度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输 基于 dds 的信号发生器设计 3 出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。 （2）传统信号发生器是由大量的模拟电路单元构成，而且基本都高频范围在工作。 如果采用这种方法设计在低频工作范围的信号发生器，其需构建更多的模拟电路单元， 而且输出频率大多为机械调整，参数也无法保证，其体积也相应加大，同时开发和使用 成本也加大。当前虽然数字式系统已经渗透到低频信号发生器的设计当中，其性能方面 也得到了保障，但是数字式系统 eda 的开发平台价格极为昂贵，而且体积方面问题也没 有得到解决。 14 本文主要研究内容 信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪 表和计算机等技术领域。采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器电路 产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出一个能变换出三角波、 正弦波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用 muhisim 软件仿真电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术 难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。通过本次毕业设计，完成电路 板的制作，并通过调试，使电路工作正常。 本次设计的内容是一款基于直接数字频率合成(dds)原理,利用 at89c51 单片机作为 控制器件,采用 ad9850 型 dds 器件设计一个信号发生器3。给出了信号发生器的硬件设 计和软件设计参数,该系统可输出正弦波、方波,且频带较宽、频率稳定度高,波形良好。 该信号发生器具有更强的市场竞争力,在跳频技术、无线电通信技术方面具有比较广阔的 发展前景。 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 4 第 2 章 系统的设计方案 21 系统总体设计方案 本次毕业设计的内容是一款基于直接数字频率合成(dds)原理,利用 at89c52 单片机 作为控制器件,采用 ad9850 型 dds 器件设计一个信号发生器。给出了信号发生器的硬件 设计和软件设计参数,该系统可输出正弦波、方波,且频带较宽、频率稳定度高,波形良好。 系统总体设计框图如图 2-1 所示。 图 2-1 信号发生器系统框图 利用单片机 89c51 控制 ad9850，设计 dc1mhz 的多功能信号源。它包括电源部分、 dds 处理、调制部分和程控衰减器等。通过 dsp 器件对 ad9850 进行相应的编程设置，可 实现频率为 040mhz，高精度，控制灵活的信号源。用液晶显示 lcd1602 显示频率值和 调制度，频率预置可用键盘上的加减键选择输入，其步进值可调。 22 信号生成方案的选择 方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器 max038，可产生正弦波、方波、 三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即 使使用单片函数发生器，参数也与外部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因 而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力低、成本也高。 方案二：采用锁相式频率合成方案。锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精确度 的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术，它在 一定程度上解决了既要频率稳定精确、又要频率在教大范围可变的矛盾。 方案三：采用 dds，即直接数字频率合成方案。这是目前实际应用的任意波形发生器 常采用的方案。直接数字频率合成技术(dds)是 20 世纪末迅速发展起来的一种新的频率 合成技术，它将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，表现出优越的性能和突 信号产生参数调整 稳压电源 信号放大 信号输出 基于 dds 的信号发生器设计 5 出的特点。由于 dds 器件采用高速数字电路和高速 da 转换技术，具有频率转换速度快、 频率分辨率高、相位噪声低、频率稳定度高等优点。 通过比较，我们发现，dds 可以快速转换频率，频率、相位、幅度都可以实现程控， 通过更换波形数据可以轻易实现任意波形功能，并且便于使用单片机控制。综合考虑各 种因素，选择方案三，使用 dds 方案。 23 幅度调节电路方案的选择 在幅值调节方面，一方面可考虑运放加可调电阻实现模拟调节。本系统综合考虑精 度、使用方面等方面的因素，采用数字调节电路，在最初考虑采用单片机与 8 位数模配 合完成幅度调节，但是当输出波形的频率到 30k 以上，输出的波形出现明显的失真现象， 考虑 dac0832 转换速度不能达到系统性能要求，本系统根据数模转换的原理，专门设计 了一种 t 型电阻网络，以提高转换速度，根据实际测试，t 型电阻网络完全可以满足速度 要求效果非常好。 24 输入方式方案的选择 方案一：采用键盘输入。这是最基本的方法。优点是输入值精确，实现方便。但用 户自定义输入时无法自由输入想要的特殊波形。 方案二：采用手写板输入。这对于用户输入想要的特殊波形非常方便，但要输入确 定值则比较困难。 由于本课题需确定确定值且无需输入特殊波形，故只需简单的键盘输入，选择方案 一。 25 显示部分方案的选择 方案一：使用 1602 液晶显示模块作为显示部件。1602 液晶显示模块以其微功耗、体 积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越 来越广泛的应用4。 1602 根据显示的容量可以分为 1 行 16 个字、2 行 16 个字、2 行 20 个字等等。但是因为它的屏幕较小，所以不能显示某些图案，1602 液晶模块内部的字符 发生存储器（cgrom)只存储了包括阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日 文假名等 160 个不同的点阵字符图形。 方案二：使用 12864 液晶显示模块作为显示部件。12864 液晶显示模块同样具有微功 耗、显示内容丰富等特点，它的体积比 1602 稍大一些，但也算是超薄轻巧。同时它可以 通过在程序行中直接插入汉字来实现调用汉字，并且可以显示图象。 在对这两款液晶显示模块的性能进行比较，同时考虑到整体系统需要显示的信息量 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 6 比较小，再综合成本考虑，我选择使用 1602 液晶显示模块作为显示部件。 第 3 章 系统核心器件的选择及其开发环境的使用 31 系统核心器件的选择 作为一个自动化系统，其最主要的器件非 mcu 微控制器单元莫属。mcu 在整个系统中 充当“大脑”的角色，不但要负责对数据的接收和输出，还要负责对数据进行处理、记 忆和对外围设备的控制。对 mcu 选择是否恰当在一个系统的设计中起到举足轻重的作用。 本次设计我选用 atmel 公司的 stc89c51rc 型单片机（如图 3-1）作为系统的 mcu。 ，51 系列的 i/o 脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设 置为高电平(复位时，各 i/o 口均置高电平) 5。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或 低电平均可。而其他系列的单片机(如 pic 系列、avr 系列等)对 i/o 口进行了改进，增加 了方向寄存器以确定输入或输出，但使用也变得复杂。 图 3-1 stc89c51rc 芯片管脚图 stc89c51rc 的主要特点如下： （1）80c51 核心处理单元 4k 字节 flash 89c51x2；布尔处理器；全静态操作 (2)12 时钟操作可选 6 个时钟通过软件或并行编程器 基于 dds 的信号发生器设计 7 (3)存储器寻址范围：64k 字节 rom 和 64k 字节 ram (4)电源控制模式 时钟可停止和恢复；空闲模式；掉电模式 （5）两个工作频率范围 6 时钟模式时为 0 到 20mhz；12 时钟模式时为 0 到 33mhz （6） lqfp, plcc 或 dip 封装 （7）扩展温度范围 （8）双数据指针 （9）3 个加密位 （10）4 个中断优先级 （11）6 个中断源 （12）4 个 8 位 i/o 口 （13）全双工增强型 uart；帧数据错误检测；自动地址识别 （14）3 个 16 位定时/计数器 t0 t1 标准 80c51 和增加的 t2 捕获和比较 （15）可编程时钟输出 （16）异步端口复位 （17）低 emi(禁止 ale 以及 6 时钟模式) （18）掉电模式可通过外部中断唤醒 32 系统开发平台的介绍 本次设计采用“51”板进行开发（如图 3-2） ，51 系列优点之一是它从内部的硬件到 软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字 或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、 清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其 他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见6。51 系列的另一 个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。 在开发环境下进行工程开发的步骤如图 3-2 所示 创建工程生成文件 加载程 序 向工程添加文件和资源 工程编制（包括 编译和链接） 运行程 序 设置工程（一般 使用系统默认设 置） 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 8 图 3-2 进行工程开发的步骤 第 4 章 系统设计的实现 41 信号发生模块的设计实现 411 信号发生模块硬件方案 （1）ad9850 模块是采用 adi 应用最广泛的 dds（ad9850）制作的模块。 ad9850 是一个运用先进的 dds 技术，并结合集成在一片芯片内的高速、高性能的 da 转换电路和比较器构成一个完全数控的可编程频率合成器，且具有时钟产生功能的 高度集成芯片。当有一个精确的时钟源作为参考频率源时，ad9850 能产生一个频谱很纯 的频率或相位可编程的模拟正弦波输出。对于 125mhz 参考时钟，ad9850 能产生一个 32 位频率调整控制字，它导致一个 00291hz 的输出调谐频率分辨率7。ad9850 的电路结 构允许产生频率值是参考时钟的一半或者说是生成频率为 625mhz 的输出，并且输出的 频率能用数控的方式以每秒产生 23 000 000 个新频率的速度变化。它具有频率分辨率高、 输出频谱纯度高和快速频率转换等性能，同时，该器件还具有体积小、使用简便、性能 价格比高的优点。在便携式通信、雷达系统、跳频通信等领域具有广泛的应用前景。 ad9850 的功能结构原理框图如图 4-1 所示。 图 4-1 ad9850 的功能结构原理框图 它内部有 40 位寄存器，其中 32 位用于频率控制，5 位用于相位控制，1 位用于电源 暂停功能，2 位厂家保留为测试控制。频率控制字在高位，相位控制字在低位。这 40 位 控制字可通过并行方式或串行方式写入到 ad9850 的数据输入寄存器。在并行写入方式中， 通过 8 位总线将数据写入寄存器，40 位需要重复 5 次。在 8 脚 fqud 上升沿把 40 位数 基于 dds 的信号发生器设计 9 据从输入寄存器输入到频率相位控制数据寄存器，从而更新 dds 的输出频率和相位。 同时把地址指针复位到第一个寄存器。在串行输入方式中 wclk 上升沿把 25 脚(功)的 一位数据串行移人，移动 40 位后，用一个 frup 脉冲就可以更新输出频率和相位。主 复位 reset 控制 dds 的复位，高电平有效，复位后 dds 的累加器从零开始累加，dds 的最 高参考输入时钟为 125mhz。10 位 dac 输出两个互补的模拟电流，调节 adc 满量程输出电 流，需外接一个电阻 rset，其调节关系为 iset=32(1248vrset)，满量程电流为 (1020)ma。ad9850 内部有高速比较器，可将 dac 输出的正弦信号转换成同频率的方波 而用作时钟脉冲8。ad9850 用 5 位数据控制相位，允许相位按增量 180。、90。、45。、225。、1125。移动或这些值进行组合。 信号发生模块主要参考 ad9850 的资料做的，如图 4-2 所示。 信号发生模块的主要功能特点： （1）模块能够输出 070mhz 正弦波 （2）采用 70mhz 的低通滤波器，使波形的 sn 比更好 （3）并口和串口数据输入可以通过一个电平选择 （4）产生 da 基准的（外接电阻）管脚引出，方便做输出波形的幅度调节应用 （5）比较器的基准输入端电压由可变电阻产生，调节该电阻可以得到不同的占空比方波 （6）ad9850 模块采用 125mhz 的有源晶振 图 4-2 ad9850 模块的功能引脚连接图 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 10 频 率 控 制 字 相 位 累 加 器 正 弦 幅 度 表 d/a 低 通 滤 波 器 比 较 器 方波 输出 正弦波输出 参考时钟 dds 回路 图 4-3 波形产生原理框图 单片机与 ad9850 的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式。为了充分发挥芯片 的高速性能和节约单片机资源，本设计选择并行方式将 at89s52 的 p0 口接至 dds 的并行 输入控制端(d0d7)。ad9850 外接 120 mhz 的有源晶振，产生的正弦信号经低通滤波器 (lpf)去掉高频谐波后即可得到波形良好的模拟信号。这样，将 da 转换器的输出信号 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。 再将方波信号加至积分电路，即可得到三角波信号9。 基于 dds 的信号发生器设计 11 图 4-4 ad9850 构成的信号发生器 （2）三角波信号产生电路 积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。电 路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理，这里就不详细说了，这里要提的是电路的 时间常数 r*c，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于 10 倍于输入波 形的宽度10。 输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。 原理：从图得，uo=uc=(1/c)icdt,因 ui=ur+uo,当 t=to 时，uc=oo.随后 c 充电， 由于 rctk,充电很慢，所以认为 ui=ur=ric,即 ic=ui/r,故 uo=(1/c)icdt=(1/rc)uidt 这就是输出 uo 正比于输入 ui 的积分（uidt） rc 电路的积分条件：rctk 图 4-5三角波信号产生电路 412 信号发生模块软件设计 （1）信号发生模块并行加载时序图： 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 12 图 4-7 信号发生模块并行加载时序图 （2）主程序流程图： 开 始 ad9850 系统初始化 led 初始化 输入所要频率值 是否超出范围？ 输入信号的初始相位 是否超出范围？ 根据键值计算控制字 将控制字写入 ad9850 送完 5 次了吗？ 送出 fu-ud 信号 结束 基于 dds 的信号发生器设计 13 程序的功能就是要将外部输入的数据按照一定算法变换 ad9850 芯片所能接收的格式， 并送出相应的频率、相位控制字，从而使 ad9850 能产生相位、频率可程控的正弦信号。 主程序的流程图如图所示。程序设计中要特别注重 ad9850 的时序要求，正确送出逻辑控 制字，并注意其刷新时钟。通过写端口写入 ad9850 的控制字暂时寄存在 i/o 缓冲寄存器 中，需要一个从低到高的时钟信号从外部输入，或者由内部 32b 的刷新时钟把 i/o 缓冲 寄存器中的控制字传送到 ad9850 的 dds 内核。 子程序说明 ： 函数 1: ad9850_reset() 复位 ad9850，之后为并口写入模式 函数 2: ad9850_reset_serial() 复位 ad9850，之后为串口写入模式 函数 3: ad9850_wr_parrel(unsigned char w0,double frequence) 并口写 ad9850 数据，w0 为 ad9850 中 w0 的数据，frequence 为写入的频率 42 输入显示模块的设计实现 421 输入显示模块硬件方案 由于 lcd 具有显示内容多，电路结构简单，占用单片机资源少等优点，本系统采用 smc1602a 型 lcd 液晶显示屏来显示信号的类型、频率大小。图 4-8 是 lcd 接口信号说明。 图 4-8 所示是 lcd 接口电路图。 图4-8是lcd接口信号说明 液晶显示器以其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 14 系统中得到越来越广泛的应用。液晶显示器通常可分为两大类，一类是点阵型，另一类 是字符型。点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形；而一般的字符型液晶只有两行， 面积小，只能显示字符和一些很简单的图形，简单易控制且成本低。 图 4-8 液晶显示模块接口图 422 输入显示模块软件设计 (1) 键盘扫描子程序 键盘扫描子程序如图 4-9 所示。用程序把 5 根线全部拉低，再判断 5 根线是否有低 电平，如果没有，说明没有按键被按下，系统则退出键盘扫描程序。键盘主要方便用户 设置频率、幅度、选择工作方式等功能11。 (2) 液晶显示程序流程 基于 dds 的信号发生器设计 15 开始 有键闭合？ 判断健号 键释放否？ 执行键号对应程序 结束 图 4-9 键盘扫描子程序流程图 43 信号幅度数控预置电路的设计实现 为了实现对输出的正弦模拟信号幅度的数字控制和预置，本系统采用了 ad811 高速 运放、数字电位器衰减、真有效值转换、以及 ad 转换等电路，具体电路图如图 4-11 所示。 数字电位器 x9c102 是实现信号幅度数字可调的关键器件12。有效值转换模块 ad637 主要负责信号的 trmsdc 转换，然后经 tlc2453 模数转换向单片机输送正比于正弦波信 号幅度的数字量，以便单片机输出合适的幅值控制指令。 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 16 图 4-11 信号幅度数控预置电路图 44 波形选择功能部分的设计实现 cd4051 是单 8 通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端 a、b、c 和 inh 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为 4.520v 的数字信号可控制峰值至 20v 的模拟信号。例如，若 vdd+5v，vss0，vee-13.5v，则 05v 的数字信号可控 制-13.54.5v 的模拟信号13。这些开关电路在整个 vdd-vss 和 vdd-vee 电源范围内具 有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当 inh 输入端“1”时，所有的通道 截止。三位二进制信号选通 8 通道中的一通道，可连接该输入端至输出14。 图 4-12 波形类型选择模块接口图 44 自制稳压电源的设计实现 7805 是我们最常用到的稳压芯片了，他的使用方便，用很简单的电路即可以输入一 个直流稳压电源,他的输出电压恰好为 5v，刚好是 51 系列单片机运行所需的电压，他有 很多的系列如 ka7805，ads7805，cw7805 等，性能有微小的差别,用的最多的还是 lm7805,下 面我简单的介绍一下他的 3 个引脚以及用它来构成的稳压电路的资料15。 基于 dds 的信号发生器设计 17 图 4-13 7805 引脚图 其中 1 接整流器输出的+电压，2 为公共地，3 就是我们需要的正 5v 输出电压了，下 面介绍一个简单的 7805 电路16。78xx 系列集成稳压器的典型应用电路如图 4-14 所示， 这是一个输出正 5v 直流电压的稳压电源电路17。ic 采用集成稳压器 7805，c1、c2 分别 为输入端和输出端滤波电容，rl 为负载电阻。当输出电较大时，7805 应配上散热板。 图 4-14 稳压直流电压源电路图 第五章 系统测试 51 系统各模块的连接 （1）信号发生模块与 51 单片机的线路连接 信号发生模块与 51 单片机的线路连接如表 5-1 所示 1）51 单片机的 p0 口与信号发生模块的 db0db7 数据口相连。 2）51 单片机的 p2.2 与信号发生模块的 w_clk 端口相连。 3）51 单片机的 p2.1 与信号发生模块的 fq_up 端口相连。 4）51 单片机的 p2.0 与信号发生模块的 reset 端口相连。 5）51 单片机的排针的正负电源分别与信号发生模块的正负电源接口相连。 表5-1 信号发生模块与51单片机的线路连接 51 单片机信号发生模块 p0.0db0 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 18 p0.1db1 p0.2db2 p0.3db3 p0.4db4 p0.5db5 p0.6db6 p0.7db7 p2.2w_clk p2.1fq_up p2.0reset （2）液晶显示模块与 51 单片机的线路连接 液晶显示模块与 51 单片机的线路连接如表 5-2 所示 1）将 51 单片机的 p1 口八位与液晶显示模块 1602 电路版的 db0db7 数据口相连 接18。 2）将 51 单片机的 p3.1、p3.0 口与液晶显示模块 1602 电路版的 rs、e 口相连接。 3）将 51 单片机的排针的正负电源分别与液晶显示模块 1602 电路版的正负电源接口 相连。 表5-2 液晶显示模块与51单片机线路连接 51 单片机液晶显示模块 1602 ioa8db0 ioa9db1 ioa10db2 ioa11db3 ioa12db4 ioa13db5 ioa14db6 ioa15db7 p3.0e p3.1rs 3.1、p3.0 口与液晶显示模块 1602 电路版的 rs、e 口相连接。 基于 dds 的信号发生器设计 19 系统各模块的连接图如图 5-1 所示 图 5-1 系统各模块的连接图 52 系统测试 （1）测试仪器 频率计：sampo cn3165 交流有效值测试表：hp34401 存储示波器：agilent 54622d 示波器：hitachi-1060 （2）上电后情况 lcd 显示见图 5-2 所示 输出波形为 1khz 正弦波，波形如图 5-3 所示： 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 20 图5-2 图5-3 按按键二可选择不同类型的波形 若选择输出为方波，lcd 显示见图 5-4 所示 输出波形为 1khz 正弦波，波形如图 5-5 所示 图5-4 基于 dds 的信号发生器设计 21 图5-5 （3）指标测试 输出波形频率范围测试 通过按键选择不同类型的波形，同时通过按键预置固定的频率，记录输出波形频率。 测试结果如表 5-3 所示 表5-3 输出波形频率范围测试数据 由表可以看出，在频率稳定度方面，正弦波、方波、三角波在带负载的情况下均十 分稳定，这正是体现了 dds 技术的特点，输出频率稳定度和晶振稳定度在同一数量级。 输出波形幅度范围测试 在 250khz 正弦波条件下，记录测得的输出幅度数据。测试结果如表 5-4 所示 表5-4 输出波形幅度范围测试数据 由表可见，在电压稳定度方面：电压的绝对值和预置值之差，及带载和不带载情况 下输出电压之差均符合题目要求。 输出频率/hz 预置频率/khz 正弦波方波三角波 负载电阻 / 11.00021.00021.0002100 500500.003500.003500.003100 10001000.0201000.0201000.020100 输出幅度（负载电阻 97）输出幅度（负载电阻） 预置频率/v 有效值/v峰-峰值/v有效值/v峰-峰值/v 负载变化 率/% 0.10.0350.098 9800.0350.0989800 1.00.3530.9982840.3541.0011120.28 5.01.7654.9914201.7654.9914200 福州大学至诚学院本科生毕业设计(论文) 22 结论 本方案设计的信号发生器充分结合硬件、软件的优势，对频率、幅度、相位控制灵 活性高，精度高，达到设计要求。由于所选控制器程序存储单元为 flash 存储，可重复 编程，升级方便。较目前教学试验用的信号发生器具有成本低、体积小，使用方便等优 点。今后的改进方案为：设计配套的电池供电直流恒压源，原电路上器件改为贴片式， 整个信号发生器具有便携式低功耗特点，在市场上更具竞争力。 我们对设计的 dds 信号源在不同频率下的输出波形进行了测试，结果完全能达到所 要求的性能指标。而且 ad9850 工作可靠，对参考时钟波形要求不高，输出信号稳定且信 噪比高，是一种性价比很高的 dds 芯片，正广泛应用于电子测量、跳频通信、雷达系统 等领域。 通过严格的实验测试证明本系统采用 dds 完全可以实现输出信号类型的选择设置、 信号频率数字预置、信号幅度数字步进可调等功能，是一种输出信号频率覆盖宽(o023 hz 铷 mhz)、信号源分辨率高、波形失真小、全数控型函数信号发生器。 本方案设计的信号发生器充分利用软、硬件的优势，采用了 ad9850 直接数字频率合 成器，并由单片机作控制核心，实现了幅值、频率的高精度、高效率的控制。跟当前市 面上的信号源相比，本文探讨了一种高效、高频，简单、灵活的信号源的系统设计。其 显示界面友好，操作灵活，可控性强，稳定性高。如在滤波电路加以改造，该系统将在 通信、雷达、高频无线电等领域得到广泛的应用。 用本文所述的基于 dds 技术，利用 ad9850 芯片设计的函数发生器测试表明，该电路 设计方案正确，频率控制灵活，操作简便。另外，只要在 dds 的 eprom 中固化其他波形 数据还可以完成相应信号的波形输出，对开发多功能函数发生器有较好的参考价值。 在完成本次设计的过程中，遇到了很多的困难。在老师和同学们的帮助下，这些困 难被一一克服了。通过本次设计，我不仅学习到了 ad9850 和 pic 系列单片机的知识，更 拓展了自己的视野。当然，由于涉及的时间较短，加之对新的单片机系列比较陌生，设 计之中还有很多不足的地方需要改进，真诚希望老师、前辈指正！ 基于 dds 的信号发生器设计 23 参考文献 1analog devices inc. cmos 125mhz complete dds synthesizer ad9850s.1997. 2高卫东等.ad9850 dds 芯片信号源的研制j.实验室研究与探索，2000， （5）. 3石雄等.dds 芯片 ad9850 的工作原理及其与单片机的接口j.国外电子元器件，2001， （5）. 4 谢嘉奎.电子线路（非线性部分）m.北京：高等教育出版社 .2000 年，第四版. 5