低频数字程控信号源的设计

摘要本文选定了一种基于DDS芯片AD9850的方案，从而设计出了一款低频数字程控信号源。直接数字频率合成（DDS）是第三代频率合成技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，本文主要介绍了芯片AD9850以及集成芯片AT89S51做出了详细的讲解。之后根据设计的需求，将模块分成了三个部分:上位机管理及串行接口模块，集成芯片控制模块和波信号的滤波模块，然后通过详尽的文章对于这个部分做出了充分的说明。在软件设计上，向大家简单的讲述了LabVIEW编程的一些基本概念，让大家对于这个软件有了一定的认识。最后，介绍了系统调试的过程，给出了实验结果，并在此基础上对信号源的性能指标进行了分析。关键词：DDS（直接数字频率合成）；单片机；LabVIEWABSTRACTInthispaper,aschemebasedonDDSchipAD9850isselected,andalowfrequencydigitalprogrammablesignalsourceisdesigned.Directdigitalfrequencysynthesis(DDS)isthethirdgenerationoffrequencysynthesistechnology,withtheadvantagesofhighresolution,fastfrequencyconversion,etc.ThispapermainlyintroducesthechipAD9850andintegratedchipAT89S51madeadetailedexplanation.Accordingtothedesignrequirements,themoduleisdividedintothreeparts:PCmanagementandserialinterfacemodule,integratedchipcontrolmoduleandfilteringmodulewavesignal,andthenthroughthedetailedarticlesforthispartmadeafullexplanation.Inthesoftwaredesign,totellyouasimpleLabVIEWprogrammingsomeofthebasicconcepts,sothatwehaveacertainunderstandingofthesoftware.Finally,thesystemdebuggingprocessisintroduced,andtheexperimentalresultsaregiven.Keywords:DDS(directdigitalfrequencysynthesis);MCU;LabVIEWTimesNew目录TOC\o"1-3"\h\u1引言 11.1研究背景 11.2程控信号源的发展概况 11.3本课题研究的主要内容和意义 22系统的总体设计方案 23硬件电路所用芯片及单片机介绍 33.1DDS模块介绍 33.2AD9851外围参数计算 43.4AT89S51单片机介绍 63.5单片机控制系统的特征 73.6AT89S51单片机功能模块介绍 84电路部分设计 94.1计算机控制及接口部分 94.2单片机控制部分 104.3滤波电路部分 125软件设计 135.1LabVIEW程序设计 135.2单片机的编程 145.2单片机的编程 14结论 161引言1.1研究背景近年来随着微电子技术的迅速发展，在现代科研、社会生产以及各种电子测量技术中，常常离不开一个高精度、频率可调的信号源，并且要求由数字信号来控制，这就是直接数字式频率合成器(DDS)。这几年在频率方面的合成技术运用面已经越来越广，但是说实话，它已经不是新兴技术，而是早期就已经出现的。在如今它已经基本将一些传统的不适应时代的合成器淘汰，并且在对器件的更新方面一直做得很好，所以它的功能适用性已经得到很大的提高，因此它就被人们作用得越来越多，现在它不仅将原本自身的市场牢牢攥在手里同时还渐渐向其他领域入侵。对于数字科技的作用越来越被人们所看好，并将它们投入运用，它已经进去各行各业，所以在信号合成方面它也很好的将理论以及自身技术加入其中，从而更新了三代技术的出现，并且得出一个两者结合的方法，可以高性能的保证合成的效果，它就是频率的合成方法。它的工作原理并不是传统的简单算法，因为加减已经不能适用于现在的产品制造，当然简单乘除也不行，只有将相位作用其中，通过复杂的，全新理念的算法才能制造出合成频率。微处理芯片可以将合成所需要的DDS输入，然后再在事先做好的表进行核对，查询出数字合成所需要的信息，从而达到合成效果。这就是将数字与信号相互转换的过程，同时达到频率合成的目的。DDS有很多非常实用有效的功能，如在转换以及换频方面所表现出来的速度非常快，同时报错性很少，这样就能节省很多的时间，同时还有一些其他的优点，像在分辨率方面就比之前很多产品都要高很多，本文作者正是基于这一点设计了一款基于DDS技术的低频数字程控信号源。1.2程控信号源的发展概况信号源，从字面意思可以将其解为制造不同类型的测量信号的来源。在实验设计当中，它主要发挥的作用是激励信号或仿真信号，在一些很多需要测量数据信号的领域有着不错的运用，如航空航天、生物科技、化学等。目前，程控信号源的设计主要是应用频率合成技术来实现的。其由于国外的技术较于国内要更加先进。本文中提到低频数字程控信号源，从而成就了很多新的技术，这是一个很有价值的演变，它衍生出各种各样的合成设备，其中加入了DDS和PLL技术，通过这些技术的加入，让合成器的种类变得越来越多，渐渐满足了国内在通信方面的市场，这样的趋势也将会持续蔓延，因为科学技术领域是没有止境的，这将丰富对频率知识利用的，加上数字信号的合成器市场。根据市场的实际情况，可以得出我国的经济市场中对着一块的需求量还是非常大的，所以在数字合成一方面的前景还是很乐观的。1.3本课题研究的主要内容和意义对于在数字合成方面，我国的技术远没有国外的发达，所以我国很多的电子数字产品都要从国外进口，这就导致了国外在这些高新技术方面进行了垄断，合成器的制造现在还有很大的缺口，需求量很大，在通信方面的发展也需要这项技术的技术成果，而我国通信的发展已经达到每个人都需要使用这项产品，所以要加强这方面的技术研究，本课题通过对DDS技术的研究以及设计实现，让频率数字合成器的设计研究得到改善，从而摆脱国外在这方面的垄断。2系统的总体设计方案本设计基于单片机和DDS芯片AD9850的低频程控信号发生器，系统包括单片机AT89C51、DDS芯片AD9850、功能键盘、低通滤波器和放大电路。键盘的作用是就是数据的输入，微处理芯片在键盘输入之后对相应的部件进行记录，芯片中的数字频率会将已经被存入的数据放到显示的地方，展现出来，而同时信号波会被记录出来，这是从AD9850发射出来的。图2.1系统结构流程图整个系统可以分为以下几个部分:（1）微机控制及串行接口部分。这部分运用LabVIEW完成相关工作，通过运用串口数据线完成微机和单片机之间的通信以及控制处理。需要注意点是在接口电路进行电平的处理之后，89S51集成控制芯片才能够识别数据，线索传递的信息内容。（2）单片机控制部分这个部分是整个系统的核心内容。包括89S51集成芯片控制的DDS芯片，9S51集成控制芯片管理幅度数值以及89S51集成控制芯片波形信号选择。（3）滤波部分这一部分的功能是对AD9850的输出信号进行低通滤波，滤除高频分量此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。。3、硬件电路所用芯片及单片机介绍3.1DDS模块介绍如图3.1所示可以看出DDS由几个部件组成，以下是对三种部件的介绍。第一个就是能够控制频率的，将键盘输入的信息进行控制的一种寄存器，它的作用就是存储，方式是按照并、串的方式将用户的信息内容。另一种是用于算法当中的累加器，它能够将一定时间范围内的数据字符进行累加，这样做的结果就是将一个只进行运算，得出其相位。还有一种是专门对累加所得的结果进行相应的分析，得出它的波动性质的仪器称之为正弦器，它的主要作用就是将波动所得正弦进行相应的数学计算，这种方法是如今比较有效的，如果用其他方法，那就要用微处理器了。在研究初期就要制定好一张相应的调查表，这个表是能够进行查询的，将所得到的正弦进行对比。整体来说就是先让DDS记录用户所有的信息，然后进行累加效应，通过一时钟效果的ƒc，在它的作用之下就能在一定时间内进行累加，然后生成一个数模(D／A)，最后由数字的改变就等于最后完成。3.1DDS原理图3.2AD9851外围参数计算AD9851记录的频率可以非常大，它是专门对于时间方面的频率，最大值可以是180MHz。计算它的方式需要选用一个较小的值，可以是30MHz，在总数的三分之一的情况下进行公式计算，求得最大的频率值:AD985最主要的部件就是它体内的一个累加装置，它被设置为相位的专门计算，总共由40位控制装置组成，它们所要制造的效果是将字符进行相应的编码，，其中还有5个对于频率的编码器，还有一个专门对时间控制的相位。AD89C51采用并行方式通过8位数据线D0～D7将数据输入到AD9851的内部数据寄存器，寄存装置就会将指针的转动数据进行存储，相位所得出的数据也会从40位中被输入，这样的目的是将指针发生改变，这样就能让它随之存入寄存器当中。其中有五分之一的，排在最前面的数据组会被用在控制字符，而相应的相位也能随之得出，这样就能控制频率的改变，本设计当中也需要六倍的频率，这样就能对相应的控制电路进行开关控制，而其他的五分之四的数据就要用W1、W2、W3、W4进行装载。在这些都完成之后就要将5个W_CLK对着向上的方向进行沿升，这就可以两相应信号的地址进行存储，而存储的地方就是之前说的存储器。其时序图如3.2所示。本设计中，要求在1KHz～70MHz范围内，合成70000个频率点，步长为1kHz,在1KHz以下合成1、2、3…10、20、30…100、200、300…Hz。外部输入参考时钟30MHz，在6倍参考时钟倍频器工作方式下，则系统最高时钟ƒr=180MHz，相位寄存器位数n=32。频率控制字计算公式：k=2n׃o/ƒr例如要得到1MHz的输出频率，计算得到k=16C16C1即W1=00000001W2=01101100W3=00010110W4=11000001（W1为高字节）。AD9850的引脚排列如图3.2所示图3.2AD9850引脚图3.4AT89S51单片机介绍AT89S51单片机是一种低功耗、高性能的集成控制芯片，内部拥有空间为4KB(flashEPROM）的8位CMOS微控制器，能够满足绝大部分的程序存储工作。这个单片机将能够进行8位运算的中央处理器与闪烁可编程可擦除只读存储器结合在一个芯片上。单片机可以针对一个器件实时地对其进行控制，且不易出错。另外就是单片机的功能是依赖于软件程序的，而程序的变化也让单片机的功能变得多样。所以能够提供高效、便捷的嵌入式控制方案。单片机特征介绍：(1)集成度高、体积小单片机把很多的功能部件都集成在一块小小的芯片上，可见单片机的体积是很小的，而由于这种集成芯片组成的应用系统结构十分简单，因此能够满足很多应用领域对硬件的功能要求。(2)面向控制、功能强单片机可以针对一个器件实时地对其进行控制，且不易出错。另外就是单片机的功能是依赖于软件程序的，而程序的变化也让单片机的功能变得多样。(3)抗干扰能力强单片机内的核心部件接收及访问其他各种部件内容的过程，因为连接它们的线均是安装在里面的，这样的话就很好地隔绝了单片机和外界环境，能为单片机提供优良的工作环境，不易受到干扰。另外由于单片机的适应温度范围很宽，它可以在各种恶劣的外界环境中工作。(4)使用方便单片机的应用系统硬件设计结构十分简单，内部功能很强，体积又小，系统扩展方便，由于国内外也提供了很多的开发工具，这就使单片机的应用极为方便，并让整个控制系统的效率大大地提高了。(5)性能价格比高单片机的功能繁多且功能性较强，当然它的价格也比较实惠，安装调试也很简单，这些因素都大大地提高了它的性价比。(6)容易产品化产品化体现在哪些地方呢，单片机硬件组成十分简单，再加以简易的软件程序，就可设计出各种产品，实现不同的功能。图3.3AT89S51单片机引脚图3.5单片机控制系统的特征单片机控制系统有以下5个显著的特点：(1)技术集成和系统复杂度高现今的单片机控制系统集成了多种新型技术，相比起以前的单片机，现在的单片机更智能，更方便。储存空间更大，传输信息也更快了。(2)可靠性高和可维护性好自诊断技术是评价一个系统性能优劣的重要参数。由于单片机控制系统采取了有效且准确地自诊断，当单片机控制系统一旦出现故障，则可以很快显示出故障部位，并加以修复。这就让单片机工作起来更稳当，更可靠，出现故障后，维护起来也很方便。(3)抗干扰能力强这种集成控制芯片的抗干扰能力有很多方面的影响。首先，很多设计者认为最重要的就是单片机是把各种功能部件，以及连接各种功能部件的传输线都安装在单片机内部，大大减小了外界对它的影响。再一个就是单片机正常工作的温度范围较宽，再恶劣的温度条件，它都可以很好地工作。但值得我们注意的是干扰单片机控制系统运行的不止这些因素，比如还有电磁干扰，光电干扰等等。(4)控制的多功能性单片机控制系统具有集中操作、实时控制、控制管理、生产管理等功能。(5)应用的灵活性单片机控制系统的运行还依赖于应用软件，而软件的各种功能则依赖于繁多的编程，程序的改变就可以实现不同的功能，所以单片机控制系统应用起来特别灵活的。此外，环境适应能力强，外部扩展能力强，信息涉及领域广，操作便利等也是单片机控制系统的特点。3.6AT89S51单片机功能模块介绍（1）晶振模块介绍晶振全称晶体振荡器，这一元器件可以在大部分的集成芯片当中见到，发挥着不可替代的重要作用。内部的电路需要在这个基础上才能够拥有一定的执行操作时间概念，换句话说就是时钟频率。衡量一个集成芯片运算，以及处理的速度，通常需要观察集成芯片的晶振频率，他们两者之间存在一种正比例的关系。这个参数越大，那么单片机的运行速度也就越快。这一元器件的运行原理是通过是用内置的某种晶体使处于共振的状态下，发生电能和机械能两者之间产生一定转换效果，这样就能够产生恒定、精确的频率。这一工作元器件需要完成预设电子电路系统当中的时钟信号，为了能够使得电路系统在执行相关功能模块的时候拥有一定的同步性，因此会使用同一个频率的晶振，会采取共用一个晶振的方法。（2）复位模块复位电路，在绝大多数的电子电路当中起到的功效是让整个系统所需的电路实现重置，也就是初始状态，你可以将其理解为系统的清零按钮，出现了异常状况之后，按下就能够让它满血复活，重新开始运行。然而大家在使用这一功能的时候需要主要某些问题，不同的运作工作环境当中选择的方式也有所不同：一、当有电源接入电路的时候，按下按钮电路将马上完成复位操作；二、在特定的情况下，使用者需要通过手动进行；三、根据内部设定的运行参数，当达成某一条件之后就会自动进行。一般情况下，搭建一个复位电路所需要的元器件类型不多，一定阻值的电阻、和电容就能够办到。4电路部分设计4.1计算机控制及接口部分计算机控制主要体现在软件上，这里介绍硬件上接口电路的结构。微机与集成芯片的接口部分原理图如图3所示。其中MAX232A包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片。为了方便整个控制处理中心和上位机完成信息的交换和传递，因此选择单片机自身携带的串口进行通信。为了能够让整个过程平稳运行，因此特别添加了3V转换电平芯片MAX3232，当信息内容换成转换处理之后，运用连接数据线与单片机机完成信息传递路径的搭建，从而就能够完成信息的发送和接收。图4.1计算机与单片机串行通讯接口电路图4.2单片机控制部分该部分包括89S51集成芯片控制的DDS芯片，89S51集成控制芯片管理幅度数值以及89S51集成控制芯片波形信号选择。其中最重要部分应该属于集成芯片控制DDS芯片。下面分别予以介绍。首先我们来对集成芯片AT89S51连接的DDS芯片进行分析，如下图4所示，当集成芯片和AD9850通过正确方式能够形成不同类型的波信号。这个操作正确地进行，才可以听到接下来的幅度管理以及波信号的判断和选取，因此可以看出这个部分是整个设计当中最为重要的一个环节。事实上，集成芯片和AD9850连接的方式并没有限制，可以通过并行，也可以通过串行的方案进行对接，ARe设计的，需要考虑到让整个系统发挥高效率，在集成芯片内部资源没有被全部占用情况下，应该选择效率更好的并行方式。如图4.2，在硬件上，AD9850的数据线D0~D7与单片机P1口相连，FQUD和WCLK分别和P2.6和P2.7相连，RESET端与单片机的复位端直接相连。图4.2AT89S51并行加载AD9850接口电路CD4051可以将其视为一个多功能的独立开关。当这个开关想要接触某一个路径的时候，就传送一个长度为3位地址码A。"INH”是禁止端，当做一个字符显示为1的时候，那么开关不会和任何电路进行连接。CD4051同时还包括了一个电源端VEE，主要的作用是将电平按照规划进行位移，这样就能够实现通过单组电源提供能量的情况下，完成对这种多路开关的直接管理。因为我们只有两路信号正弦波和方波，因此我们只用到其中的两路开关I/O0和I/O1，路信号只需用一位控制即可，如图，我们将B,C接地，A接单片机的P3.2，这样当P3.2为低电平时选通I/O0，即I/O口输出正弦波;当P3.2为高电平时选通I/O1,即I/O口输出方波，从而实现了波形选择的功能。图4.3CD4051结构原理图图4.4AD5220控制幅度示意图图4.5幅度控制等效电路最后看幅度控制部分。该部分选用数字电位器AD5220来实现的。A本文选取的是欧姆数值为10Ω的器件。如图6AD5220在系统中的使用的示意图。单片机的P2.3口接CLK引脚，P2.4接U/D引脚，AD9850输出的信号接入A1引脚，从WI输出信号。在上电后AD5220的内部滑动端自动恢复在中间的位置，软件控制P2.4为高电平的时候，随着P2.3的每一个下降沿，滑动头W1就向A前进一个位置;而当控制P2.4为低电平的时候，随着P2.3的每一个下降沿，滑动头W1就向B前进一个位置，从而实现改变电阻大小的目的，也即实现了幅度控制。4.3滤波电路部分由于AD9850的性能非常好，因此，使用者能够通过它观察到较为理想的波形信号。DDS处理器能够将系统的波和干扰都进行计算，这是滤波器的基本单位，波的计算要通过谐波分量作为基本值，干扰就要按照系统中现实的时间进行干扰。对于波动的筛选，要进行严格的选择，从很多方面进行选择，比如它的特性还有相应参数的选择等等，所以要设计一个专门的，对波动进行选择的滤波器，它的主要工作是对电路，阻抗等方面进行相应的赋值，这样就给予确定元件确定的大小值一个基础，从而设计出相应的线性关系，同时将以上所有数据进行归一。滤波后的正弦波一方面直接接到波形选择的一路开关上，另一方面接到AD9850的比较器输入端上，产生的方波再接到另一路开关上，由单片机选择输出。图4.5滤波器原理图5软件设计5.1LabVIEW程序设计前面板可以将其视为一个人机信息互换的一个窗口，说着还可以在这当中完成程序代码的编写，从而实现各种功能模块的作用能，图3-14就是对应的LabVIEW框图程序，这个部分主要用于完成对于信息内容的转化，以及信息内容的通讯。这里要介绍一下频率控制字和相位控制字的转化。设输出信号的频率为，参考频率为CLKIN，AD9850的频率控制字为，则三者之间的关系为:例如，CLKIN=12MHz，输出信号的频率为100Hz，则向AD9850写入的频率控制字为:再看相位控制字的计算。AD9850芯片中有5比特用于相位控制，所以，相位控制的精度为360°/25=11.25°，用二进制表示为00001，根据实际需要，设置不同的相位控制字，就可以实现精确的相位控制。5.2单片机的编程5.2单片机的编程89S51集成控制芯片的程序是用的MCS-51将汇编语言翻译成了机器语言。通常在89S51集成控制芯片的研发过程中必须使用的器械包括:研发的周边情况和将能编程的集成电路插入数据的工具等。因为这个系统的89S51集成控制芯片程序还是不复杂的，所以在研发过程中就没有涉及到调试器的问题，研发的时候使用的是MCS--51的集成研发条件，能编程的集成电路插入数据的工具使用的是Top2000这个体系的。全部的89S51集成控制芯片程序的构造能够看成是由主要程序和一些附属于主要程序的子程序构成。图5.1单片机主程序流程图让我们大家先来观察主要的程序，图9画出了89S51集成控制芯片主要程序的一个流程图。主要程序需要规律执行的任务就是对这个系统进行一个初始化，再来就是守候程序的串口中间断开，这也就意味着是在守候AD9850和以前不一样的掌控字的数字。对这个系统开始初始化是需要两个步骤的。一个是89S51集成控制芯片串行联系的最初的装备，再利用子程序的一些变化来使其成真，接下来的文章中会拿出这个子程序图:图5.2子程序配置图这里重点介绍一下定时器初始值是如何计算来的。由上面的程序可以看出