波形发生器课程设计

1、单片机原理及应用课程设计题目:专业:学号:r>r1 f n 1 i名:用单片机实现的波形发生器10自动化（2）201010320220完成日期:指导教师:2013-6-28单片机原理及应用课程设计任务书班级： 姓名：指导老师：张玲 2013年6月28 h设计题目：用单片机实现的波形发生器设计任务1. 以单片机为主控制器设计一波形发生器，通过示波器观察所得的信号 波形。2. 通过功能选择，可输出方波、正弦波和三角波。设 计 要 求1. 调研、查找并收集资料。2. 总体设计。3. 硬件设计:：用a4纸画出硬件的接线图。4. 软件设计：画流程图及编写程序。5. 撰写设计说明书（字数约2500字

2、左右）。6. 参考资料目录参 考 资 料单片机原理及接口技术 胡汉才 清华大学出版社单片机中级教程 张俊谟北航出版社单片机原理及接口技术李全利 高等教育出版社教研室主任签字:年 月目录1引言42概述52.1方案论证5方案一5方案二5方案三53主要芯片介绍63. 1高精度可编程波形发生器ad9833小文资料63. 1. 1 ad983363.1.2 ad9833的结构及功能64 软件程序94.1程序流程图94.2程序95调试与实物展示135.1结果分析135.2实物图16附录：总体电路图171引言信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信 号、函数（波形）信号、脉冲信号

3、和随机信号发牛器等四大类。信号发生器乂称信号 源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角 函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正 弦波的电路被称为函数信号发生器。正弦信号是频率成分最为单一的一种信号，因这种信号的波形是数学上的正弦 曲线而得名。任何复杂信号一一例如音乐信号，都可以通过傅里叶变换分解为许多频 率不同、幅度不等的正弦信号的迭加。方波信号是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从 源端传送到接收端，我们就称该信号是方波信号。信号具有良好的方波信号是指当在 需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。

4、差的方波信号不是由某一单一因素导 致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。主要的方波信号问题包括反射、振荡、 地弹、串扰等阶梯波发生器产生的阶梯信号,在无线电遥测，调频信号磁带记录以及数字电压 表屮较为有用，有时作为比较基准电压产生阶梯波的方法也较多。实现信号发生器的方法有很多种，通过模拟电路的脉冲信号发生电路配合枳分 微分电路可以产牛正弦，三角波，方波信号，而目前市面上有很多集成好的信号发牛 器芯片，例如ad9850. ad9833等芯片，能通过单片机等控制器产生频率可变的很稳 定和精度很高的基础信号，本设计采用at89s52控制集成芯片ad9833产生正弦波， 三角波和方波信号，通过加法器

5、处理方波信号实现方波到阶梯波的转变，并利用第二 课堂的资源制作成实物，将实验产生的波形通过数字示波器测试出来。2概述该系统是通过51单片机控制集成的dds波形发生器产生三角波，正弦波，方波 的电路设计，经过测试系统能产牛精确度为0. 1hz的上述波形，频率范围可通过控制 器使频率在1hz飞mhz的稳定的波形范围内。该设计通过了硬件调试，设计论文中的 波形图像都来自于数字示波器的usb flash devide端口。2.1方案论证方案一：通过da0832 8位精度的数字-模拟转换芯片，使用这块集成芯片优点 有芯片价格低廉，接口简单，软件编写简单，但不足之处是芯片产生的合成信号转换 速度低，产生信

6、号的频率范围很有限方案二：釆用纯数字模拟技术，用ne555史密斯触发器产生方波信号，以方波 为基波通过模拟电路组成的积分微分电路再生成其他波形，通过手动调节电阻 从而控制波形频率，其结构图如图1图1该方案的优点在于成本很低很低，并且可以免去程序的编制，不需要微处理器 的知识，能很好的巩固硬件知识。但有利必有弊，其缺点在于过多的硬件器件使系统 稳定性大幅度下降，没有软件辅助波形设定麻烦，波形不稳定，最主要的是纯模拟电 路调试很麻烦。方案三：釆用集成芯片dds波形发生器，该系列芯片优点突出，其屮ad9833是adi 公司生产的一款低功耗，可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波、方波输出。其 特点

7、是频率和相位可通过改变内部寄存器来编程，通过主控制器选择波形，频率。三 线的spi接口使得线路简单，软件编写简单，输岀频率有所提高，其缺点是输出杂散 大。根据上面的优缺点比较综合论证，本设计采用方案三。3主要芯片介绍3. 1高精度可编程波形发生器ad9833中文资料3.1.1 ad9833ad9833是adt公司生产的一款低功耗，可编程波形发生器，能够产生正弦波、三 角波、方波输出。波形发牛器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域,ad9833无 需外接元件,输岀频率和相位都可通过软件编程，易于调节,频率寄存器是28位的，主 频时钟为25mhz时,精度为0. 1hz,主频时钟为1mhz时,精度

8、可以达到0. 004hz。可以 通过3个串行接口将数据写入ad9833,这3个串口的最高工作频率可以达到40milz,易 于与dsp和各种主流微控制器兼容。ad9833的工作电压范围为2. 3v-5. 5v。3.1.2 ad9833的结构及功能电路结构ad9833 是一块完全集成的 dds (direct digital frequency synthesis)电路, 仅需要1个外部参考时钟、1个低精度电阻器和一个解耦电容器就能产牛高达12. 5mhz 的正弦波。除了产生射频信号外，该电路还广泛应外于各种调制解调方案。这些方案全都用在数字领域，采用dsp技术能够把复杂的调制解调算法简化,而且很

9、精确。ad9833的内部电路主要有数控振荡器(nco)、频率和相位调节器、sine rom、数 模转换器(dac)、电压调整器，其功能框图如图2所示。图2ad933的核心是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，相位寄存器的输岀与和位控制字相加后输入到正弦查询表地 址中。止弦查询表包含1个周期止弦波的数字幅度信息，每个地址对应止弦波中0° 360°范围内的1个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字 量信号，去dac输出模拟量，相位寄存器每经过228/m个mclk时钟后回到初始状态，相 应地正弦查询表经过一个循环

10、回到初始位置,这样就输出了一个正弦波。输出正弦波 频率为：fout=m (fmclk/228)(1)其中,m为频率控制字，由外部编程给定，其范围为0wmw2281。vdd引脚为ad9833的模拟部分和数字部分供电，供电电压为2. 3v-5. 5v。ad9833 内部数字电路工作电压为2. 5v,其板上的电压调节器可以从vdd产生2. 5v稳定电压,注意：若vdd小于等于2. 7v,引脚cap/2. 5v应直接连接至vdd。功能描述ad9833有3根串行接口线，与spi、qspi、mi-crowire和dsp接口标准兼容, 在串口吋钟sclk的作用下，数据是以16位的方式加载到设备上，吋序图如图

11、3所 示,fsync引脚是使能引脚，电平触发方式,低电平有效。进行串行数据传输时,fsync 引脚必须置低，要注意fsync有效到sclk下降沿的建立时间t7的最小值。fsync置低 后，在16个sclk的下降沿数据被送到ad9833的输入移位寄存器，在第16个sclk的 下降沿fsync可以被置高，但要注意在sclk下降沿到fsync上升沿的数据保持时间ts 的最小和最大值。当然，也可以在fsync为低电平的时候,连续加载多个16位数据，仅 在最后一个数据的第16个sclk的下降沿的时将fsync置高，最后要注意的是,写数据 时sclk时钟为高低电平脉冲，但是，在fsync刚开始变为低时，（

12、即将开始写数据 时），sclk必须为高电平（注意til这个参数）。当ad9833初始化时，为了避免dac产牛虚假输出，reset必须置为1 （reset不会 复位频率、相位和控制寄存器），直到配置完毕，需要输岀时才将reset置为0;reset 为0后的8-9个mclk时钟周期可在dac的输出端观察到波形。ad9833写入数据到输出端得到响应，中i'可有一定的响应时i'可，每次给频率或相位寄存器加载新 的数据，都会有7-8个mclk时蚀周期的延时之后，输出端的波形才会产生改变，有1个mclk时 钟周期的不确定性，因为数据加载到目的寄存器时,mclk的上升沿位置不确定。3. 2

13、89s52 介绍at89s52是一种低功耗、高性能cmos 8位微控制器，具有8k在系统可编程 flash存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产 品指令和引脚完全兼容。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程 器。在单芯片上，拥有灵巧的8位cpu和在系统可编程flash,使得at89s52在众多 嵌入式控制应用系统屮得到广泛应用。4软件程序4.1程序流程图图6示出了 ad9833的软件流程。无论是写控制寄存器、频率寄存器还是相位寄存器、在写数据之前都需要把选通 信号置为有效状态，这样写入的数据才会有效，否则无效。在dsp发送完1个数据字后 将

14、产生sp1中断请求，本设计中未使用中断方式，而且通过查询中断标志来跳出，并虚 读dsp的接收缓冲器清除中断标志。图34.2程序include <reg52.h>irinclude <intrins. h>define b1tb 0x0800sbit fsync = pl"4;sbit sclk = p5;sbit sdata = pl"6;define dds sclk up sclk=l#define dds_sclk_d0wn sclk二0define dds sdata up sdata=l#define dds sdata down sdat

15、a=0define dds_fsync_up fsync=l define ddsj;sync_down fsync二0unsigned int config data8;void delay2us(unsigned char i) while (i):void wri ledds2byte(unsigned int config)unsigned char i;dds sclk down;_nop_();dds fsync up;_nop_ ();dds sclk up; delay2us(l);dds fsync down;_nop_();for (i二0; i<16; i+) if

16、 (config & 0x8000) dds_sdata_up;else dds sdata down; delay2us(l);dds sclk down: dclay2us (1);dds sclk .up;con fig «= 1:dds_fsync_up;_nop_ ();dds sclk down; delay2us(100);/波形发生函数入口参数:频率:freq (<=12000000)/形状:0 (正弦波)，1 (三和波)，2 (方波)/默认:fmclk=25mhz, 0相移,方波不分频.void wavcgencralc(unsigned long f

17、req,unsigncd char shape) unsigned long temp;unsigned char k;if(freq>12000000) freq=l2000000;switch(shape)case 0: config_data0=0x2108;config data7=0x2008;break;case 1: config_data0=0x210a;config data7=0x200a;break;case 2: config data0-0x2128;confi g_data7=0x2028;break;default:config data0=0x2108;c

18、onfig data7=0x2008;temp=freq*13. 4217728;/1emp=freq*(ox10000000/25000000);config datal=temp&0x3fff;config data3=config datal:config_data 2 = (tcmp&oxofffcooo) »14;config data4=config data2;config datal=config datal 0x4000;config data2=config data2|0x4000;configdata3=configdata3 0x8000;c

19、onfig data4=confi g data4 0x8000;config data5=0xc000;config data6=0xe000;for(k=0;k<8;k+)writcdds2byte(config datak);/* for (;) wr i tedds2byte(oxcooo);for (k=200;k;k-)；writedds2byte(oxcooo 2047);for (k=200;k;k-一);*/char shape)void dds 2fsk(unsigned long freql, unsigned long freq2, unsignedunsigne

20、d long temp;unsigned char k;if (freql>12000000) freql=12000000;if (freq2>12000000) freq2=l2000000;switch(shape)case 0: config_data0=0x2108;config data7=0x2008;break;case 1: config data0=0x210a;config data7=0x200a; break;case 2: config_data0=0x2128;confi g_data7=0x2028; break;default:config dat

21、a0=0x2108;config data7=0x2008; temp=freql*13. 4217728;/lemp=freq*(ox 10000000/20000000);config datal=temp&0x3fff;config data2 = (temp&oxofffcooo)»14;temp=freq2*13. 4217728;conf ig_data3=temp&0x3fff;config_data4=(temp&oxofffcooo)>>14;0x4000;config datal=config datalconfig d

22、ata2=config data210x4000;config_data3=config_data3 0x8000;confi g_data4=config_data4 0x8000;config data5=0xc000;config data二oxeooo;for (k=0;k<8;k+)wr i t edds2by t e(con f i g_ da t ak);while (1) for (k=200; k; k);writedds2byte(config data7 | bttb);for (k=200; k; k一一)；wri tedds2byte (conf ig_data7 & cbitb); void key (void)辻(p3"2=0)i二i+1000;if(p3"3=0)i=i-1000;if(p3'4=0)j+；if (j=4)j=l;if(p35=0)辻(j=0)j=3;void main()whilc(l)key();dds 2fsk(3000, 1000, 0);5调试与实物展