基于DDS的智能信号发生器设计

1、（2008届）本科毕业设计（论文）资料题 目 名 称：基于DDS的智能信号发生器设计 学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 班 级： 042 学号 15 指导教师姓名： 职称 高级工程师 最终评定成绩： 湖南工业大学教务处 2008届本科毕业设计（论文）资料第一部分 设计说明书（2008届）本科生毕业设计（论文）基于DDS的智能信号发生器设计学 院、系： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 学 生 姓 名： 班 级： 042 指导教师姓名： 职称 高级工程师 最终评定成绩 2013 年 月 湖南工业大学本科生毕业设计（论文）摘 要本文首先介绍了国内外智能仪器

2、仪表发展状况及其特点，随后重点阐述了一种以直接数字频率合成（DDS）技术为基础的信号发生器的设计。采用单片机89C51控制DDS芯片AD9850产生频率可调的正弦信号，并通过低通滤波器得到纯正的信号，最后经过功率放大驱动电路输出目标信号。本文采用的技术主要有传统的信号发生器的技术，直接数字波形合成(DDS)技术、高速DA,A/D转换技术，智能仪器仪表技术。论文介绍了系统设计任务的提出，总体方案的确立，系统硬件和软件的设计以及实现的系统主要功能。本文所设计的发生器具有发生器具有频率精度高，频率范围宽，操作快捷方便等优点。关键字：智能信号发生器，DDS，D/A转换，A/D转换，单片机89C51AB

3、STRACTIn this article , I firstly introduce the development and characteristics of intellegentized instruments at home and abroad., and then I deeply introduce a kind of intelligent signal generator based on direct digital synthesizer technology . MCU 89C51 is adopted to control DDS chip AD9850 to p

4、roduce the sine signal which frequency may be adjusted. The pure signal can be obtained through the low pass filter, and then target signal is drove by the power amplifier. And my article is based on the principle of the traditional signal generator integrated with the techniques on Direct digital f

5、requency synthesizer, High speed A/D conversion and Intelligentized instrument. I brings forward the task of designing the system and demonstrates the collectivity project of the system. The design and realization of the systems hardware and software are presented. My generator, has such advantages

6、as high frequency precision, wide frequency range, and quickly facilitate and so on.Keywords: Intellegentized Instruments, DDS，D/A Converter ,A/D Converter,MCU89C51目 录 第1章 绪论11.1课题研究意义以及国内外发展概况11.2智能信号发生器与传统信号发生器的比较11.3本课题内容与任务2第2章 DDS技术，芯片介绍32.1 DDS原理32.2 DDS芯片AD9850介绍42.3 89C51单片机6第3章 系统设计方案83.1 系

7、统设计的主要技术指标83.2系统设计方案的选择83.3芯片的选择93.3.1 主芯片的选择93.3.2 键盘接口芯片的选择103.3.3 显示接口芯片的选择113.3.4 电源模块的选择113.4系统整体设计结构12第4章 系统硬件电路设计134.1 正弦信号输出电路134.2 滤波器电路144.3 功率放大电路154.3 正弦波变方波电路164.4 人机对话的设计164.4.1键盘接口的设计164.4.2显示器接口的设计194.5硬件系统的抗干扰设计21第5 章 系统软件设计235.1 主程序及其分析235.2 系统液晶显示程序流程265.3 键盘管理流程图及源程序275.4 软件的抗干扰措

8、施31结 论32参考文献33致谢34IV 第1章 绪论1.1课题研究意义以及国内外发展概况智能仪器是计算机技术与电子测量仪器相结合产物。函数信号发生器则是能产生所需要波形的装置。近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上发展起来的智能仪器仪表无论是在测量的准确度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有迅速的发展。 随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，以及人工智能向测控技术的移植和应用，智能仪器仪表技术发展迅速。作为现阶段智能化电子仪器主体的智能仪器在工业发达国家己经非常成熟与普及，但国内此方面技术发展与改造起步和发展比较

9、缓慢。我国于1984年 正式成立“自动测试与智能仪器专业组”，1989年5月我国第一届测试技术与智能仪器国际学术讨论会在武汉召开，直到1993年在北京召开的仪器仪表与计算机应用学术会议上，智能仪器仪表作为重点议题之后，国内智能仪器仪表技术和改造开始迅速发展。1.2智能信号发生器与传统信号发生器的比较 信号发生器作为电子测量系统中应用最为普遍的电子测量仪器之一，是工业控制、教学科研常用的基础仪器，国外已有数字化的智能函数发生器产品，例如HP公司的HP-3335, HP-8642/8; FLUKE公司6080A等产品，但其价格昂贵，并且多为射频信号发生器，只产生正弦波形。国内也有少数半数字化的函数

10、发生器产品，但其都是对传统函数发生器简单的数字化改造，输出信号的波形种类没有增加，性能也未有明显改善，并且不具有输出信号的实时显示功能和汉化的菜单式人机交换界面。因此研制开发操作简单、低成本、高性能的新一代信号发生器十分必要。智能函数信号发生器的特点智能函数信号发生器与传统的模拟函数信号发生器相比，具有以下几个明显特点: 1、利用微机控制键盘和显示。键盘和显示是智能信号发生器区别于传统信号发生器在面板设计上最突出的特点。由于采用美观方便的按键操作代替了传统的开关或旋钮，避免了手动控制带来的人为误差。由于采用具有显示信息量大优点的液晶显示器LCD，大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。 2、

11、强的输出能力。由于采用了由仪器内微处理器控制而生成所需新波形的技术，即直接数字合成技术(Direct Digital Frequency Synthesizer)，导致普通的智能信号发生器能产生多种函数的周期性波形，大大拓展了仪器的输出能力。 3、自检、自诊断功能。这是智能信号发生器区别于传统信号发生器的重要特征之一。能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征，不仅大大方便了维修，而且保证了输出的可靠性。 4、自校和自修正。对于智能化仪器来说，这也许是最重要的作用，它意味着在相同或更低性能的硬件条件下，仪器指标能够达到更高的水平，即实现了高的性能价格比。另一方面，微处理器的加入使以前由硬件电

12、路很难或根本办不到的事成为可能。 5、远地输入输出能力。仪器配有标准接口，可纳入自动测试系统中工作。重要意义 本课题所研制的智能信号发生器从设计原理上综合了传统的硬件电路产生函数信号波形和采用直接数字合成技术产生函数信号波形的优点，大大的增加了仪器输出信号的波形种类，输出信号性能也明显改善。系统采用键盘和LCD作为人机对话窗口，具有良好的人机界面，并能实时显示输出波形及其参数，方便操作。系统配有标准接口，具有远地输入输出能力，可纳入自动测试系统中工作。本课题研制的智能高频率信号发生器，具有新颖、结构简单、高性能、操作控制灵活的特点，具有很大的市场开发、应用前景。本产品研制开发成功可大大加速我国

13、电子产品栩能化更新换代进程，从而加速我国工业和国防领域自动化测试和控制的普及。1.3本课题内容与任务本课题是根据智能信号发生器的特点和应用情况，结合新一代高性能芯片89C51单片机和DDS技术设计一种使用简单、性能优良的智能信号发生器，该发生器能产生正弦波标准信号，并能通过辅助简单的电路和芯片输出方波等其他波形，通过键盘来控制波形的幅值变化、频率变化，并通过LCD液晶显示器显示其数值。整个系统采用单片机控制，论文主要研究智能信号发生器设计时如何合理地确定设计方案，在系统的硬件设计时需要注意的问题以及如何进行电路设计，还有系统软件部分，如程序的编写，流程图的绘制等问题。便捷的人机对话界面结合硬件

14、和软件技术最终实现了信号发生器的智能化。第2章 DDS技术，芯片介绍2.1 DDS原理DDS即直接数字频率合成技术，是一种运用数字技术来实现产生信号的方法。由于采用了全数字大规模集成技术，具有体积小、价格低、频率分辨率高、频率转换快、合成范围宽、信号纯度高等优点。我们知道目前广泛采用的频率合成技术主要有直接合成、锁相频率合成和直接数字合成三种方式。随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围DAC 的出现和广泛应用，用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术，即直接数字频率合成(DDS) 技术异军突起。DDS(Direct Digital Synthesis) 的概念首先由美国学者J. Ti

15、erncy.C. M. Rader 和B. Gold 提出，它是以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理，与其他频率合成方法相比，DDS 具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成等突出优点。 正是这些有别于其他频率合成方法的优越性能和特点，使得DDS 成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS 技术是一种把一系列数字量形式的信号通过DAC 转换成模拟量形式的信合成技术。目前使用最广泛的一种DDS 方式是利用高速存储器作查寻表，然后通过高速DAC 产生已经用数字形式存入的正弦波。 常见的DDS 系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、D/

16、A 转换器和低通滤波器组成。 参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS 各组成部分的工。DDS 系统的核心是相位累加器，它由一个加法器与一个N 位相位寄存器构成。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端，累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS 合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是

17、输出的信号频率。正弦查询表是一个可编程只读存储器(PROM) ，存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0360范围的一个相位点。下图2.1与图2.2为DDS基本原理结构图频率控制字Kf0fc相位累加器波形存储器数模转换器参考频率源滤波器（LPF） 图2.1 DDS原理框图图2.2 DDS波形输出原理框图上述DDS原理框图，它主要由相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器组成。在时钟脉冲的控制下，相位累加器对输入的频率控制字不断进行累加得到相应的相位码，同时，相位码序列作为地址信号去寻址波形存储器进行相位码-幅度码的转

18、换， 并输出不同的幅度编码。这一系列不同的幅度编码经过D/A转换器转换得到相应的阶梯电压波，最后经过低通滤波器平滑，即可得到相应的正弦波形。输出波形的频率由下式计算：FOUT=(K* FCLK)/2N。频率分辨率定义为：F=FCLK/2N。其中，FCLK为输入参考频率，K为输入的频率控制字，N为相位累加器的位数。2.2 DDS芯片AD9850介绍AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。图2.3为AD9850的引脚图

19、图2.3 AD9850引脚图AD9850的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表，其中相位累加器由一个加法器和一个32位相位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字（5位）相加后作为正弦查找表的地址。正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表，它包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0360范围的一个相位点。查找表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动10 bit的DA变换器，输出个互补的电流，其幅度可通过外接电阻进行调节。AD9850还包括一个高速比较器，将DA变换器的输出经外部低通滤波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波，这使得AD9850可以方便地用作

20、时钟发生器。AD9850包含40位频率/相位控制字，可通过并行或串行方式送入器件：并行方式指连续输入5次，每次同时输入8位（1个字节）；串行方式则是在一个管脚完成40位串行数据流的输入。这40位控制字中有32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于掉电（power down）控制，2位用于选择工作方式。图2.4为AD9850控制字并行输入时序图2.4 AD9850 控制字并行输入时序在并行输入方式下，通过8位总线D0D7将外部控制字输入到寄存器，在WCLK（字输入时钟）的上升沿装入第一个字节，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个WCLK的上升沿读入5个字节数据到输入寄存器后，WCLK的边沿

21、就不再起作用。然后在FQUD（频率更新时钟）上升沿到来时将这40位数据从输入寄存器装入到频率/相位寄存器，这时DDS输出频率和相位更新一次，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待下一次的频率/相位控制字输入AD9850从投入市场到今天已经应用在雷达系统、低功耗频率源中。它良好的频率合成功能适合于应用在高精度测试中。本文采用的DDS芯片AD9850可用的最高时钟频率达125MHZ, 相位累加器的位数为32，在125MHZ时钟频率输入下，频率分辨率为0.0291HZ。2.3 89C51单片机 89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROMFalshProgrammable a

22、nd Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erase

23、able Read Only Memory）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C51引脚和指令系统完全兼容。主要性能：1. 与MCS-51 微控制器产品系列兼容。 2. 片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器 3. 存储数据保存时间为10年 4. 宽工作电压范围：Vcc可为2.7V到6V 5. 全静态工作：可从0Hz至16MHz 6. 程序存储器具有3级加密保护 7. 128*8位内部RAM 8. 32条可编程I/O线 9. 两个16位定时器/计数器 10.中断结构具有5个中断源和2个优先级 11.可编程全双工串行通道 12.空闲状态维持低功耗和掉电状态保存

24、存储内容第3章 系统设计方案3.1 系统设计的主要技术指标根据课题任务书，本设计主要的技术指标如下：(1)主要产生高品质的正弦波以及产生方波等其他波形的方法(2)用键盘输入编辑生成上述波形(3)具有波形存储功能。(4)具有显示输出波形的类型,重复频率(周期)和幅度的功能。(5)增加稳幅输出功能 (6)具有掉电存储功能,可存储掉电前用户编辑的波形和设置。为实现上述功能，设计本系统所需解决的主要问题有：（1）系统主要芯片的选择，连接，电路的设计等（2）人机对话界面设计：仪器要实现键盘式输入和图形显示功能，不仅需要一个操作简单方便、视觉效果良好的硬件平台，还需要功能强大、高效的配套软件管理系统。（3

25、）软件设计：软件的设计研制是整个系统设计的主要组成部分，它不仅要配合整个系统硬件实现仪器的系统功能，而且还负责和掌管系统硬件之间的一协调合作，并通过各种算法实现对信号的测量与控制。3.2系统设计方案的选择目前信号发生的主要实现方法由直接模拟法、直接数字法两种。基于这两种方法的系统设计提出了如下三种方案：方案1：采用模拟分离元件或单片压控函数发生器MAX038，输出的波形具有良好的相位噪声、较低的寄生分量以及较快的开关速度等，但其电路结构复杂，且模拟电路的漂移较大，使输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的

26、调节来实现输出频率的调节，因而很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节，如果要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。见图3.1。正弦波整形比较器三角波发生器OSC 放大器 可调衰减器 输出 图3.1 传统函数发生器的简化基本结构方案2：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、又要频率在较大范围可变的矛盾。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长，即频率受VOC可变频率范围的影响，高低频率比不可能做得很高。方案3：采用直接数字

27、频率合成（DDS）技术方案。用存储器存储所需波形的量化数据，按照不同的频率要求以频率控制字K为步进对相位增量进行累加以累加相位值作为地址码读取存放在存储器中的波形数据，经D/A转换和幅值控制即可得所需波形。DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短（可小于20ns），频率分辨率可以做到很高（典型值为0.001Hz）等优点；另外，输出相位连续，频率相位和幅值均可实现相位和幅值均可实现程控，且理论上可以实现任意波形，可以完全满足设计的要求.因此采用第三种方案。这也是目前实际应用的波形发生器常采用的方案.3.3芯片的选择3.3.1主芯片的选择基于DDS实现的波形发生器，其系统的CPU可有多种芯片的选择

28、，以下给出了几种方案比较如下：方案1；采用直接频率合成器件，如AD9850，它可以直接产生正弦波和方波，再外接一个方波三角波变换电路，如对方波进行积分就可以产生三角波。对所得到的方波进行带通滤波，就可以得到正弦波此方案电路简单，但是AD9850对方波积分时，不同频率的方波所获得幅度是不同的，在100Hz200kHz这样的带宽内频率变化会导致幅度有很大的变化，不利于幅度的调节。方案2：采用AT89C51单片机作为微处理器，由于51单片机的主振频率为25MHz，但经12分频后，机器周期太长，频率很难达到要求的范围，而且外围要加一个D/A转换器，电路连接起来也不够简洁，同时由于端口数目太少，若要再连

29、接键盘，显示器等外围电路无疑要扩展其I/O端口，这样便进一步增加了外围电路的复杂程度，还需外扩存储器，无机更增加了CPU的工作负荷，不适宜单独采用。方案3：采用内部具有D/A转换器的单片机作CPU，比如C8051F020。这种单片机一般是完全集成的混合信号系统级芯片(SoC)，具有与8051 兼容的高速CIP-51 内核,片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他功能部件;可是这种方案实行起来相对较复杂，而且费用较上两种方案昂贵，不利于推广。 综合上述的分析, 决定将第一种方案和第二种方案结合起来使用，即用51单片机控制DDS芯片AD9850，来产生正弦信号，在通过一些外围的电路

30、实现方波等的输出。3.3.2 键盘接口芯片的选择键盘接口是单片机应用系统中最常用的应用接口之一。系统的设计性能的优劣一部分也由键盘接口电路决定。键盘接口电路必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。对于其具有51核心的单片机,通用扩展键盘的方法很多，如采用并行芯片8255或者8155的I/O口扩展芯片来外接键盘。也可以用可编程通用键盘/LED接口芯片8279以及采用智能显示驱动芯片HD7279来扩展键盘。各芯片的特点如下所示：方案1：采用扩展并行芯片8255或者8155的I/O口扩展芯片来外接键盘。这两种编程和电路连接均比较复杂,必须增加一定的硬件，比如8155必须扩充段驱动器和

31、位驱动器，对于外围I/O线较少的单片机来说显然不适用；8255扩展时必须设计消抖电路或编制消抖子程序，由CPU进行不断的键盘扫描，占用了CPU的大量资源，使之负担过重。方案2：而对于可编程通用键盘/LED接口芯片8279，其功能有：接受来自键盘的输入数据，并作预处理；数据显示的管理和数据显示的控制。利用8279芯片可实现对键盘的自动扫描，可代替单片机完成对键盘和显示器的控制，从而提高了CPU的工作效率。但作为并行接口芯片，仍摆脱不了占用CPU大量的I/O口线之嫌。方案3：采用智能显示驱动芯片HD7279来扩展键盘，该芯片具有串行接口,可以同时驱动8 位共阴极数码管和连接64键的键盘矩阵，单片机

32、可以完成数码显示和键盘接口的全部功能，而且该芯片自带RC 振荡电路,无需外接时钟，与单片机的接口电路简单，和微处理器之间只需四条I/O线。加之它具有较高的性价比，因此，在微型控制器,测控系统中得到广泛的应用。综合分析上述方案,采用智能显示驱动芯片HD7279来扩展键盘. 3.3.3显示接口芯片的选择系统的设计在显示控制上也有多种的选择。方案比较如下所示：方案1：简单点可以用数字电路控制，显示用多个LED灯，但很难达到较好的控制，并且硬件电路复杂，集成度也不是很高，不利于调节，显示的内容很少，不方便观察。对于本设计的的复杂程度是不相适用的。方案2：相对于LED显示模块来说，点阵式LCD由于体积小

33、、质量轻、功耗微、寿命长、而且还可以显示图形，曲线和汉字、以及无电磁辐射等优点，已经逐渐成为各种便携式电子信息产品的理想显示器。金鹏电子有限公司开发的OCMJ4X8C LCD显示模块。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。此模块可显示字母、数字符号、中文字形及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。比较分析以上方案,选用OCMJ4X8C作为系统设计的显示部分。3.3.4电源模块的选择电源是任何电子系统的根源，它的好与坏将直接影响电子系统工作的稳定性。本课题采用9V直流输入，经过线性稳压器

34、产生所需电压，而9V来自于信号发生器附带的稳压器 （220VAC输入，9VDC输出）成品。由9V转换到其他电压，方法很多，本设计提出三种方案：（1）自己设计开关电源：开关电源也是实现电源转换的一种方法，效率很高，但设计要比使用线形稳压器要复杂得多。但对于大电流高功率的设计，建议采用开关电源。例如一个7.5V转 2.5V，5A输出的电路，如用线形稳压器，则稳压器功耗为：（7.55）512.5W，功耗太大，必须加很大的散热片，很不合适。如采用开关电源，例如LT135则效率可以达到 85%90%，功耗只有2W左右。（2）线性稳压芯片：在信号发生器外部采用一个稳压器产品将220V交流电压直接转换成9V

35、直流电压。信号发生器内部线性稳压器进行电压转换，线性稳压器外围电路简单，一般只需少数电容即可工作。目前这种芯片应用很广泛，价格便宜。（3）直接采用电源模块：考虑到电源设计的复杂性，一些公司推出了基于开关电源技术的低电压输出电源模块，可靠性和效率都很高，电磁辐射小，而且可以许多模块可以实现电源隔离。用户只需要加很少的外围元件即可使用。电源模块最大的缺点是价格昂贵。为了合理的选择本课题需要的电源，特对三种电源方案作了比较，比较结果如表3.1所示。表3.1 三种电源方案的比较线性稳压器及极性转换芯片开关电源电源模块优点所需外部元件数日少，使用方便，成本低，所需电路板空间小，纹波小，无电磁干扰。效率高

36、（一般大于80%）输入电压范围较宽，输出功率大，价格比电源模块便宜很多。效率高（一般大于85%），输入电压范围较宽，输出功率大，使用方便，电磁干扰小。缺点功率较低（一般低于70%）功耗较大。设计较复杂，有电磁干扰，需要一定的设计能力。价格昂贵由于本设计所需的功率较小，正常工作为1W1.5W 左右。而且要求体积尽量小，参照上述讨论，本设计采用VOLTREG（7805）为核心的调压电路。3.4系统整体设计结构基于以上对系统功能和性能要求的综合考虑，智能信号发生器按其原理结构划分为：键盘、显示器、微处理器核心部分，结构框图如图3.2所示：图3.2 系统结构框图第4章 系统硬件电路设计系统可以分为三大

37、功能模块:单片机最小系统、DDS模块、增益控制模块。单片机最小系统包括89C51 单片机、4 4 键盘矩阵、OCM4X8C 带中文字库的图形点阵液晶显示模块。DDS 模块包括核心芯片AD9850、5阶巴特沃斯低通滤波器。增益控制模块是由AD811 构成的增益固定的宽带放大器。单片机作为控制核心向AD9850 发送控制字。为了充分发挥芯片的高速性能,应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式,本系统采用的是并行方式。同时为了节省端口,液晶与单片机采用2 线串行模式相连来传送数据。图4.1为简化的连接示意图： P1.0 P1.7 P3.1 P3.089C51D0 AD9850D7W_ClkFq_

38、udAD9850OCMJ4X8C LCD STD SCLK4*4键盘LPFAD811 图4.1 连接示意图4.1 正弦信号输出电路正弦信号输出电路由键盘、液晶显示、AT89C51和AD9850等组成。系统以AT89C51为核心，控制AD9850输出正弦信号，同时实时处理键盘输入的操作，并控制液晶显示模块输出。 图4.2 AT89C51与AD9850的接口电路原理图其中，AT89C51与AD9850的接口电路如图4.2所示。他们的接口既可采用并行方式也可采用串行方式, 但为了充分发挥芯片的高速性能, 应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式。AT89C51通过I/O口的P1口与AD9850的

39、DO-D7口相连，分五次来发送频率相位控制。每发送完一次控制字，须通过P3.1向AD9850的W_CLK端发送命令字来完成数据的加载，五次控制数据发送完成之后，再由P3.0控制FQ_UD进行频率/相位更新之后输出信号波形。在系统上电之后，要先进行AD9850复位和并行方式选择的初始化，这两点是芯片AD9850使用的关键技术。另外，输出信号根据设定的步进值进行频率自动更新输出是本设计的难点之一。4.2 滤波器电路由于AD9850的输出是采样信号，因此它的输出频谱遵循奈奎斯特采样定理，谱内既含有基波信号也含有高频谐波信号。另外，DDS采用全数字技术，因而不可避免会存在杂散干扰，直接影响输出信号的质

40、量。为了滤出AD9850每次转换出现的所有杂波，我们在后级加上了30MHz的5阶巴特沃斯低通滤波器，使信号波形纯洁，失真度大大减少，其电路图如图4.3。图4.3 5阶巴特沃斯低通滤波器4.3 功率放大电路AD9850输出信号的电流约为10mA,输出阻抗50，电压0.5V，驱动能力较弱,达不到变压器绕组变形测试仪扫频信号的要求，为此必须经过功率放大电路驱动后才能向绕组输出扫频信号。对于功率放大电路部分，我们选择集成宽带高性能运算放大器AD811。AD811为电流反馈性宽带运放，其单位增益带宽很宽，15V供电情况下，-3dB带宽达100MHZ，适合本系统的宽带放大要求，且输出电流可达100mA，可

41、以满足测试仪器扫频信号要求。但是，为了满足扫频信号10V电压的要求，需在功率放大电路之前，加一款宽带运算放大器将小信号放大到1V，然后再接AD811进行功率放放大。ANALOG公司的宽频高性能运放AD811，可以满足系统要求。其中，功率放大器AD811的电路图如图4.4。 图4.4 AD811功率放大器4.3 正弦波变方波电路 输出的正弦波通过一个比较器变为方波，电路如图4.5 图 4.5 正弦变方波电路4.4 人机对话的设计人机对话功能是本系统的重要功能之一，其实现人与机器的信息交换。这个功能有两个方面的含义：一是人对系统状态的干预和数据输入；二是系统向人报告运行状态与处理结果。实现本智能仪

42、器人机对话的部件有键盘、显示器和RS232通信接口等，这些部件同主体电路的连接是由人机接口电路来完成的，因此人机接口技术是本智能信号发生器设计的关键技术之一。4.4.1键盘接口的设计键盘与单片机的接口包括硬件与软件两部分。硬件是指键盘的组织，即键盘结构及其与主机的连接方式。软件是指对按键操作的识别与分析，称为键盘管理程序。智能仪器普遍使用由多个按键组合在一起而构成的键盘，键盘中的每一个按键都表示一个特定的功能或数字。键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。编码式键盘是由按键键盘和专用键盘两部分组成。当按键中某一按键被按下时键盘编码器会自动产生相应的按键代码，并输出选通脉冲信号与CPU进

43、行信息联络。非编码式键盘不含编码器，当某键被按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，对应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。显然非编码式键盘的软件是比较复杂的，而且要占用较多的CPU时间，这是它的不足之处。但非编码式键盘可以任意组合、成本低、使用灵活，因而我们采用非编码矩阵式键盘。HD7279A具有串行接口，可以同时驱动8 位共阴极数码管和连接64 键的键盘矩阵，单片机可以完成数码显示和键盘接口的全部功能，而且该芯片自带RC 振荡电路，无需外接时钟，与单片机的接口电路简单，与微处理器间仅需4 条接口线，其中 CS 为片选信号( 低电平有效)。当微处理器访问 HD7279A 时，应将片选端置为

44、低电平。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA 为输入端； 当通过HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。 CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY 为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而在有键按下时变为低电平，并一直保持到按键释放为止。表4.1 HD7279引脚说明引脚名说明/CS片选输入端CLK同步时钟输入端，上升沿有效DATA串行数据输入/输出端/KEY按键有效输出端，电平有效SG-SA段g-段a驱动输出Dp小数点驱动输出DIG0-7数码管0-7驱动输出CLK0震荡输出RCRC振荡器连接端图4.6 HD7279管脚图HD72

45、79A 的指令结构有三种类型：( 1) 不带数据的纯指令，指令的宽度为8个BIT位，即微处理器需要发送8个CLK脉冲。如复位指令、测试指令、左移指令、右移指令、循环左移指令和循环右移指令等。( 2) 带有数据的指令, 宽度为16个BIT 位，即微处理器需要发送16个CLK脉冲。前8个向HD7279A传送8位指令，后8个向HD7279A传送8 位数据。如下载数据且按方式0译码指令、下载数据且按方式1译码指令、下载数据但不译码指令、闪烁控制指令、消隐控制指令、段点亮指令和段关闭指令等。( 3) 读取键盘数据指令，宽度为16个BIT 位，前8个为微处理器发送到HD7279A 的指令，后8个为HD72

46、79A 返回的键盘代码。执行该指令时，HD7279A 的DATA 端在第9个CLK 脉冲的上升沿变为输出状态， 并以第16个脉冲的下降沿恢复为输入状态，等待接受下一个指令。从上面的分析可以画出HD7279A 的3 种指令接口时序图，如图4.7所示：CS8usCLKDATACS(A) 纯指令CLK。DATA。位指令（高位在前）位数据（高位在前）CS(B)数据指令CLK。DATA。HD7279A输入的键盘代码(8位,高位在前)读键盘指令（8位，高位在前） (C)读键盘指令图4.7 HD7279A 的3 种指令接口时序图本系统中按键需要10个数字键09, 2个符号键和4个功能键共16个按键，若采用独

47、立式键盘就需16根检测，故采用4X4矩阵式键盘以减少检测线。为了编程方便，应将矩阵键盘中的每一个键按一定的顺序编号，即给每个按键赋予一个键值。键盘接口电路如图4.8所示：图4.8键盘接口电路4.4.2显示器接口的设计显示器我们采用的是具有体积小、外型薄、重量轻、耗能小、无辐射、显示信息量大等优点的图形点阵式液晶显示模块，其内藏控制器驱动，控制操作方便，不仅可显示数字、字符和符号等信息，而且可显示任意图形和汉字，能达到图文并茂的效果。我们选用的是具有背景光、单电源图形点阵式液晶显示模块 OCMJ4X8C OCM4X8C是具有串/并接口，具内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块。该模块的控制/驱动

48、器采用台湾矽创电子公司的ST7920，因而具有较强的控制显示功能。OCM4X8C的液晶显示屏为12864点阵，可显示4行8列的字符字体。此模块可显示字母、数字符号、中文字形及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口。所有的功能，包含显示RAM，字型产生器,都包含在芯片里面，只要一个最小的微处理器系统，就可以方便操作模块。且具有串/并行接口传输的特点。基于以上特点，OCMJ4X8C LCD模块为此次函数发生器显示接口电路的首选。其中主要参数：1、工作电压(VDD)：4.55.5V2、逻辑电平:2.75.5V3、LCD 驱动电压(V

49、o)：07V4、工作温度(Ta)：055(常温)/-2075（宽温）,保存温度(Tstg)：-1065(常温)/-3085(宽温)表4.2 模块引脚说明：引脚名称方向说明引脚名称方向说明1VSSGND（0V）11DB4I/O数据42VDDSupply Voltage For Logic (+5V)12DB5I/O数据43VOSupply Voltage For LCD（悬空）13DB6I/O数据44RS(CS)IH: DataL: Instruction Code14DB7I/O数据45R/W(SID)IH: Read L: Write15PSBIH:Parallel Mode6E(SCLK)

50、IEnable Signal，高电有效(serial clock)16NC空脚7DB0I/O数据017/RSTIReset 低电平有效8DB1I/O数据118NC空脚9DB2I/O数据219LEDA背光源正极（+5V）10DB3I/O数据320LEDK背光源负极（OV）表4.3 汉字字符显示坐标（OCMJ4X8C）X 坐 标Line180H81H82H83H84H85H86H87HLine290H91H92H93H94H95H96H97HLine388H89H8AH8BH8CH8DH8EH8FHLine498H99H9AH9BH9CH9DH9EH9FH串行传输讯号的说明：MCU与液晶模块之间传

51、送1字节的数据共需24个时钟脉冲。首先，单片机要给出数据传输起始位，这里是以5个连续的“1”作数据起始位，如模块接收到连续的5个“1”，则内部传输被重置并且串行传输将被同步。紧接着，“RW”位用于选择数据的传输方向（读或写），“RS”位用于选择内部数据寄存器或指令寄存器，最后的第8位固定为“0”。在接收到起始位及“RW”和“RW”的第1个字节后，下一个字节的数据或指令将被分为2个字节来串行传送或接收。数据或指令的高4位，被放在第2个字节串行数据的高4位，其低4位则置为“0”；数据或指令的低4位被放在第3个字节的高4位，其低4位也置为“0”，如此完成一个字节指令或数据的传送。需要注意的是，当有多个数据或指令要传送时，必须要等到一个指令完成执行完毕后再传送下一个指令或数据，否则，会造成指令或数据的丢失。这是因为液晶模块内部没