基于单片机的信号发生器的设计.doc

滨江学院 学年论文题 目 基于嵌入式的信号发生器 院 系 电子工程系 专 业 电子信息工程 学生姓名 马磊 学 号 20112305068指导教师 张秀再 目录1引 言.12 方案提出及工作原理. 2.1方案提出2.2工作原理3 系统设计与实现. 23.1总体结构3.2主控电路3.3信号调理电路4 系统软件设计.35 系统调试及运行结果分析.46结束语.参考文献.基于嵌入式系统的信号发生器摘要 ：本文采用直接数字频率合成技术，设计了一种采用以AD9833为核心的信号源，由lpc2131对输入数据进行处理,，进而执行对DDS 芯片编程，控制产生所需的频率、相位和波形信号，可产生方波，正弦波，三角波,并由LCD 显示各种信息，最后详细分析了该信号发生器的系统结构、软硬件设计和具体实现电路。关键词：AD9833，LPC2131，直接数字频率合成1引言信号源是现代电子系统的重要组成部分，在通信系统以及各种电子测量技术中，常常需要一个高精度的频率可变信号源，而且一般要求数字可控。随着现代通信技术不断的发展，对信号源的输出波形种类、频率范围、分辨率、精确度等提出很高的要求。频率信号发生装置一般利用一个或多个标准信号产生多种频率信号。实用基本频率合成技术主要有PLL锁相频率合成和直接数字频率合成（DDS）两种，PLL 频率合成结构简单，频谱纯度高，但高分辨率对应频率转换时间较长，一般只用于大步进频率合成技术中1。直接数字频率合成技术从“相位”的概念出发进行频率合成，采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态：不但能输出各种波形，而且可对输出电平进行调节，具有频率分辨率高、转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点被广泛应用于通信与电子测量系统中2。本文采用ARM微处理器LPC2131 为主控与DDS 频率合成芯片AD9833 结合设计了一种频率合成信号源。2 方案提出及工作原理2.1方案提出该信号发生器以AD9833为核心，采用ARM控制产生正弦波，三角波，方波，并能进行波形复合。AD9833是一款采用DDS技术、低功耗、可编程波形发生器4，器件采用MSOP封装，非常小巧，外围电路简单，仅需要1个外部参考时钟、一个低精度电阻器和一个解耦电容器，通过SPI接口和单片机相连，编程可生成正弦波、三角波、方波。输出频率和相位都可通过编程易于调节AD9833内部电路主要有数控振荡器(NCo)、频率和相位调节器、正弦只读存储器(sineROM)、数模转换器(DAC)、电压调整器。其核心是28位的相位累加器，它由加法器和相位寄存器组成，每来1个时钟，相位寄存器以步长增加相位寄存器的输出与相位控制字相加后输人到正弦查询表地址中。正弦查询表包含1个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0-360。范围内的1个相位点。查询表把输人的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动DAC输出模拟量。相位寄存器每经过2脚M个MCLK 时钟后回到初始状态，相应的正弦查询表经过一个循环回到初始位置，这样就输出了一个正弦波。 相对于其他信号波形产生技术，DDS技术具有输出信号的采样频率固定、频率稳定性高、信号频率转换时间输出相位连续、全数字化、可编程和易于控制等优点具体如下频率切换时间短 DDS的频率转换可以近似认为是即时的，这是因为它的相位序列在时间上是离散的，在频率控制字K改变以后，要经一个时钟周期之后才能按照新的相位增量累加，所以也可以说它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期Tc1/fclk。如果.fclk=10MHZ，转换时间即为100ns,当时钟频率进一步提高，转换时间将会更短，但再短也不能少于数门电路的延迟时间。目前，集成DDS产品的频率转换时间可达10ns的量级，这是目前常用的锁相频率合成技术无法做到的。 (2) 频率分辨率高 DDS的最小频率步进量（频率分辨率）就是它的最低输出频率，只要累加器有足够的字长，实现非常精密的分辨率没有多大的困难。例如可以实现Hz,mHz甚至nHZ的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现这样的频率分辨率十分困难，甚至是不可能的。 (3) 相位变化连续 DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位的增长速度，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其斜率发生了突变，因而保持了输出信号相位的连续性。这在很多对频率合成器的相位要求比较严格的场合使用。2.2工作原理 直接数字频率合成，通过数控振荡器（NCO）产生一个频率/相位都可调的正弦波，正弦的数字信号再通过一个D/A转换器转成模拟量。目前广泛使用的一种DDS方式工作原理如图 低通滤波器数模转换器正弦波查找表相位累加器 CZZ 参考频率源Dds工作原理图相位累加器在每个时钟到来时，与频率控制码所决定的相位增量累加一次，计数大于2N（N 是相位累加器的位数）则自动溢出。通过正弦查找表实现从相位值到正弦幅值的转变： 根据输出到正弦查找表地址上的相位值，得到数字正弦信号，输入到内部高速数模转换器，产生模拟正弦波输出。最后通过低通滤波器可产生出纯净的波形。可见DDS技术其实是利用现行相位容易实现累加这一特点，以线性相位累加值为地址，取出存储在ROM 表中对应的非线性幅值。设系统参考时钟频率为fclk，相位累加器字长为N，则DDS的输出频率为：（1)其中，k为频率控制字，由控制程序设定。通常固定时钟频率fclk与相位累加器的位数N，因此输出频率便由k确定。 相位调制寄存器为M位，通过改变其初值Dphase，可方便地实现输出波形的初相角的调制： （2）系统采用高精度、低功耗串行接口DDS 芯片AD9833，其内部相位累加器为28位，内部DAC为10 位，主频时钟信号的频率最高为25 MHZ，在这个工作频率下，分辨率由公式（1） 可得： 28min clk f = f / 2 为0.1HZ。根据Nyquist采样定律，重建信号频率理论上最高可取12.5 MHZ，但通常只能取到接近最高频率的40%。AD9833通过软件编程，易于调节，除可产生正弦波外，AD9833还可以通过内部寄存器配置，输出方波、三角波和直流信号。3 系统设计与实现3.1 总体结构系统结构如图2 所示，包括信号发生器、信号调理电路、键盘输入及液晶屏显示四个部分。硬件电路主要由AD9833、LPC2131这两个主要芯片，以及外围电路组成液晶显示屏Lpc2131功率放大滤波电路AD9833键盘输入总体结构框图由图2可知，嵌入式微处理器LPC2131为整个系统的控制芯片，负责给AD9833 发送控制字，接受外部输入数据并进行处理的任务。按键部分产生中断，通过改变LPC2131的SPI口输出的指令数据，进而改变AD9833输出波形信号的参数。AD9833根据SPI口输出的这个数据完成频率合成任务，初步输出所需信号。信号调理电路负责对AD9833 输出的信号进行滤波、整形及放大。液晶屏将按键操作的波形与工作方式等特定参数予以显示。3.2 主控电路主控芯片LPC2131 是基于ARM7TDMI-S 内核的高性能32位RISC 微控制器，功耗低，性价比高，非常适合嵌入式产品的开发。LPC2131 拥有一个串行外设接口（SPI）。具有两个完全独立的SPI控制器，它是一个同步、全双工串行接口，最大数据位速率为时钟速率的1/8，可配置为主机、或从机，在该系统中，配合AD9833的SPI 指令传输，控制波形输出。LPC2131拥有47个通用I/O口（General PurposeI/O, GPIO），有三个寄存器用于控制GPIO的使用，在本系统中，使用GPIO 口来控制键盘和显示屏，AD9833 与LPC2131的硬件连接原理如图3所示。图3 AD9833与LPC2131硬件连接原理 3.3 信号调理电路 信号调理电路的设计须注意到两个问题： 系统电路板上信号源的数量较多，互相影响会使输出波形产生毛刺现象； AD9833 本身存在着输出信号的幅度随频率的变化而变化的现象，如后接放大电路将加大这一影响。解决这两个问题的办法是：在DDS芯片输出端或滤波器输出端，串入合适电容隔直； 为了最大程度地让信号无失真地进行传输，我们采用的传感器均为电流型，下图为接口电路板上的信号调理电路图。为了最大限度利用控制板采样电压为正负10V，电流信号由取样电阻转换成电压信号后经过稳压管（保证输入电压小于10V，保护AD芯片），再加一级运放将电压信号放大至10V后，这样既能很好利用开发板也能提高采样精度和准确度。 信号调理电路 4 系统软件设计系统软件的主体部分为功能软件设计，采用ARMDeveloper Suite v1.2开发环境进行程序调试。包含多个功能模块：以ARM 芯片LPC2131 为核心的控制模块，以DDS芯片AD9833为核心的信号产生模块，按键模块和液晶显示模块。AD9833 可通过控制寄存器确定输出信号类型（正弦波、方波、三角波、直流），由公式（1）与公式（2）可知，2个28位频率寄存器FREQ0和FREQ1用于设定频率控制字初值k，以决定输出信号频率；2 个12 位相位寄存器PHASEQ0 和 PHASEQ1 通过设定相位初值Dphase，以决定输出信号的初始相位。通过SPI接口将数据写入AD9833，在时钟SCLK作用下，数据以16bit 串行方式加载到设备上，其中FSYNC引脚为使能端，电平触发方式时，低电平有效。要注意FSYNC信号有效到SCLK下降沿的建立时间的最小值，进行串行数据传输时，FSYNC引脚必须置低，。 当FSYNC信号置低，在16个SCLK 的下降沿，数据被送入DDS的命令寄存器。第16个SCLK 下降沿FSYNC可被置高，但要注意SCLK下降沿到FSYNC 上升沿的数据保持时间问题4。另外，PC2131 在设置SPI 口波特率时，SPI 时钟的分频数必须为大于或等于8 的偶数。 AD9833控制软件流图如图5所示Lpc2131初始化Ad9833初始化9个mclkDac输出 y改变pselect改变相位 y 改频率改变flsectY n n y 改相位 y n 改频率 y 图5 AD9833控制软件流程由ARM处理器对键盘进行扫描，接收相应的命令和数据，包括功能选择以及合成信号的频率、调幅信号的调幅度、调频信号的最大频偏等，再通过键盘处理程序执行相应的操作和对显示器装配相应的数据。其中主程序如下：void Write_word(unsigned int data_dat) /写控制字程序，多处函数需调用的子程序void main() Spi_Init(); /设置LPC2131 的P0.40.7 为SPI 串行通信口init_ad9833();/AD9833初始化delay_us(200);/延时程序output(1000);/输出 5 系统调试及运行结果分析文中设计的信号源采用DDS芯片结合ARM控制技术，使得整机结构简单，性能良好，能够输出稳定的三角波，方波，正弦波。经实际测量，其分辨率，信噪比和幅度控制都能很好完成设计需求，且抗干扰能力强。由于针对的应用对象频率范围较低，选用DDS 芯片较低端产品AD9833 即可很好满足要求5。这种方法产生的信号精度高，稳定度好，需要不同的频率时只需修改键盘输入就能完成，因此其应用领域非常广，适当添加外围电路可应用于高频系统，对波形要求较高的场合更为适用。本文使用了主流的低功耗嵌入式处理器ARM 芯片，它的功能比一般的单片机更为强大，可同时控制更多的功能模块，有利于产品的升级。6结束语该系统通过不断的查阅资料以及实验达到了预期的实现目的但任然存在不足，采用的ad9833，ad9833本身存在一些问题，输出信号质量需要进一步提高，此信号源输出高于20khz频率信号时会产生一定的失真在以后的设计过程中可以考虑把信号源输出质量提高，减小信号失真，没有输出保护电路。在以后的设计中可以计入输出保护电路，防止电路烧坏。设计程序时不能妄想一次就能将整个程序设计好，反复修改，不断完善是程序设计的必经之路，在设计过程中遇到问题是很正常的，参考文献1 张厥盛,曹丽娜.锁相与频率合成技术M.成都:电子科技大学出版社,1995:13.2 陈晓争,钟丹秋.基于AD9852 的嵌入式信号源的设计J.通信与广播电视,2007(4):48-53.3 茅永峻,罗汉文,宋文涛.直接波形合成技术中新型滤波器的应用J.通信技术,2002(11):19-21.4 王江涛,於洪标,