基于DDS的信號發(fā)生器設(shè)計

1、 2009級 電子信息工程專業(yè) 集成電路原理及應(yīng)用課程設(shè)計基于DDS的信號發(fā)生器設(shè)計摘 要 本設(shè)計主要是基于DDS的信號發(fā)生器的設(shè)計，該信號發(fā)生器主要有三大模塊，主控制器模塊、信號發(fā)生模塊和液晶顯示模塊。采用AT89S52單片機為主控制器，由它來控制DDS芯片AD9835再通過LCD12864顯示輸出信號信息，可以完成數(shù)字量輸入到模擬量輸出的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)運放調(diào)節(jié)電壓幅度，產(chǎn)生0Hz15MHz的正弦波、三角波和方波，最后由液晶屏顯示。關(guān)鍵詞 AT89S52； AD9851； LCD128641. 課程設(shè)計任務(wù)設(shè)計制作一個波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波和由用戶編的特定頻率的信號

2、。鍵盤顯示部分微控制器信號產(chǎn)生圖1-1 設(shè)計任務(wù)要求2.課程設(shè)計題目 多功能信號發(fā)生器設(shè)計以DDS為核心設(shè)計一個信號發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波、正弦波信號和單脈沖輸出。 技術(shù)參數(shù)： 具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性信號變化的功能； 用鍵盤輸入編輯生成上述三種波形（同周期）的頻率、相位和幅度； 輸出信號的頻率范圍為0Hz15MHz；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進間隔1Hz； 波形輸出幅度05V可調(diào)； 具有顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率（周期）和幅度的功能；發(fā)揮部分 用鍵盤或其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形； 波形輸出幅度05V可調(diào)； 增加穩(wěn)幅輸出功能，當負載變化時，輸出電壓幅度比那化不大于±

3、;3（負載電阻變化范圍：100）； 具有掉電存儲功能，可存儲掉電前用戶編輯的波形和設(shè)置；3.設(shè)計總體方案選擇本設(shè)計的核心問題是信號的控制問題，其中包括信號頻率、信號種類以及信號強度的控制。在設(shè)計的過程中，我們綜合考慮了以下四種實現(xiàn)方案：3.1方案一采用555集成芯片函數(shù)發(fā)生器，555可以產(chǎn)生可變的正弦波、方波、三角波及實現(xiàn)頻率控制,但由于產(chǎn)生的頻率較低，本方案將不采用。3.2 方案二采用低溫漂、低失真、高線性單片壓控函數(shù)發(fā)生器ICL8038，產(chǎn)生頻率（0.001300KHZ）可變的正弦波、三角波、方波及數(shù)控頻率調(diào)整。但是，由于ICL8038自身的限制，輸出頻率穩(wěn)定度只有10-3（RC振蕩器）。

4、而且，由于壓控的非線性，頻率步進的步長控制比較困難。3.3 方案三采用MAX038函數(shù)發(fā)生器，MAX038是一個精密高頻波形產(chǎn)生器。能精密地產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波信號。頻率范圍從0.1Hz20MHz，最高可達40MHz，各種波形的輸出幅度均為2V（PP）。但由于此芯片目前已經(jīng)停產(chǎn)，銷售的價格比較昂貴。3.4 方案四采用DDS波形發(fā)生技術(shù)，采用AD9851和單片機相結(jié)合的方式實現(xiàn)對頻率的控制。 AD9851內(nèi)部的控制字寄存器首先寄存來自外部的頻率、相位控制字，相位累加器接收來自控制字寄存器的數(shù)據(jù)后，決定最終輸出信號頻率和相位的范圍及精度然后再經(jīng)過內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換器，得到最終的

5、數(shù)字合成信號。這個高速DDS芯片時鐘頻率可達180MHz， 輸出頻率可達70 MHz，分辨率為0.04Hz。 綜合考慮其性價比，選擇方案四。本設(shè)計采用DDS技術(shù)作為本設(shè)計的核心，不僅基于其低成本，而且在輸出頻率控制方面也顯得很方便。其輸出的頻率、幅度均可調(diào)，精度高，分辨率低等一系列優(yōu)點將是本設(shè)計方案的不二之選。4.單元模塊設(shè)計4.1 AT89C52為核心的控制器模塊為了節(jié)約成本，本電路中采用LQFP封裝44腳的單片機，該系列單片機是51單片機中增強型單片機，它體積小，工作穩(wěn)定可靠，功耗低，抗干擾能力強等優(yōu)點，使得本設(shè)計能順利地完成。本電路中主要使用了該單片機的P0、P1、P2以及部分P3口，P

6、0口主要是和液晶的8位數(shù)據(jù)口相連接，以便對液晶進行讀寫操作；P1口是與AD9851的8位數(shù)據(jù)口相連，對頻率、相位控制字進行控制；P2口中的P2.0、P2.1、P2.2分別與液晶的控制引腳RS、R/W、E相連，其余5位是和獨立式鍵盤S1、S2、S3、S4、S5相連接；P3口中P3.0、P3.1分別是與MAX232的9、10引腳相連，從而進行串口通信，P3.2是和AD9851中的復(fù)位引腳（22）相連，P3.6、P3.7分別與AD9851的W_CLK、FQ_UD兩個控制引腳相連，另外，還有單片機的第4引腳與一些阻容組件構(gòu)成系統(tǒng)的復(fù)位電路，以及14、15引腳與外部的無源晶振構(gòu)成系統(tǒng)振蕩電路，還有16、

7、38引腳是與電源相連接。以上即為AT89C52的引腳在本電路中的使用分配情況。4.2 AD9851在系統(tǒng)中的應(yīng)用模塊由于 AD9851 是貼片式的體積非常小，引腳排列比較密，焊接時必須小心，還要防靜電，焊接不好就很容易把芯片給燒壞。還有在使用中數(shù)據(jù)線、電源等接反或接錯都很容易損壞芯片。此外，為了不受外界干擾，添加了不少的濾波電路，顯得整個電路完美。AD9851有并行和串行兩種控制方式，本設(shè)計中采用并行控制方式，在并行輸入方式下，通過8位總線D0D7將外部控制字輸入到寄存器，在WCLK（字輸入時鐘）的上升沿裝入第一個字節(jié)，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續(xù)5個WCLK的上升沿讀入5個字節(jié)數(shù)據(jù)到輸

8、入寄存器后，WCLK的邊沿就不再起作用。然后在FQUD（頻率更新時鐘）上升沿到來時將這40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率相位寄存器，這時DDS輸出頻率和相位更新一次，同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器以等待下一次的頻率相位控制字輸入。并行方式由5組8位控制字反復(fù)送入，前8位控制輸出相位、6倍參考時鐘倍頻器、 電源休眠和輸入方式，其余各位構(gòu)成32位頻率控制字。圖4-1 AD9851輸入時序圖AD9851在本設(shè)計中的應(yīng)用電路圖如下所示：圖4-2 AD9851應(yīng)用電路圖4.3LCD12864顯示模塊由于本設(shè)計采用帶中文字庫的液晶，使得整個系統(tǒng)運行顯得更加直觀明了，它具有串行、并行兩種控制方式，本設(shè)計

9、采用8位并行接口方式。引腳說明及在電路中的連接方式管腳號管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線

10、14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式（見注釋1）16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效（見注釋2）18VOUT-LCD驅(qū)動電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）（見注釋3）20KVSS背光源負端（見注釋3）1、2引腳分別與電源相連接；3號引腳接電位器的中間部分；4、5、6引腳是與單片機的P2.0、P2.1、P2.2相連；由于采用該液晶的8位并行接口方式，所以714引腳與單片機的P0口相連，進行數(shù)據(jù)傳輸；16腳懸空；15、17、19接+5V電源；18引腳接電位器的一端；20腳接地。圖4-3 LCD12864顯示電路圖4.4濾波模塊由于

11、直接從AD9851輸出端輸出的波形為階梯波，波形不夠平滑，因此，本設(shè)計中需要在輸出端設(shè)置一個截止頻率為25MHz的低通濾波器。在AD公司AD9851的數(shù)據(jù)手冊上提供了一個截止頻率為70MHz的橢圓低通濾波器，其電路圖如下圖所示。圖4-4 濾波電路圖在該電路圖上運用反歸一化的方法進行更改就可以得到所需的電路，可以省卻進行查表計算的麻煩。該濾波器的3dB截止頻率為f1=70MHz，與要求的3dB截止頻率f0 =25MHz相比，頻率標定系數(shù)FSF為FSF=f0/f1=25/70=0.36 （4.1）將70MHz截止頻率的濾波器的電感、電容值同時除以FSF，即可得到25MHz截止頻率的橢圓低通濾波器，

12、如圖2-4所示。25MHz橢圓低通濾波器的組件值為 L1=470nH/FSF=470nHx2.8=1.32uH L2=390nH/FSF=390nHX2.8=1.09uHL3=390nH/FSF=390nH*2.8=1.09uH C1=22pF/FSF=22pFX2.8=61.6pF C2=1pF/FSF=1pFPFX2.8=2.8PF C3=33PF/FSF=33PFX2.8=92.4PF C4=5.6PF/FSF=5.6PFX2.8=15.68PF C5=22PF/FSF=22PFX2.8=13.16PFC6=4.7PF/FSF=4.7PFX2.8=13.94PF C7=22PF/FSF=

13、22PFX2.8=61.6PF該濾波器對組件值要求不高，可使用10%誤差的電感和5%電容即可。將上述元器件取為標稱值，則Ll=1.5uH;L2=1.2uH;L3=1.2uH;Cl=56pF;C2=2.7pF;C3=100PF;C4=16PF;C5=13PF;C6=14PF;C7=56PF。4.5 供電模塊在電路中并沒有自帶+5V穩(wěn)壓電源模塊，為了減小線路板的面積，節(jié)約制作成本，因此，用USB代替系統(tǒng)供電，這樣不僅可以減少線路板的使用面積，而且USB供電也比較穩(wěn)定，所受干擾也比較小。另外，電路中還留出了+5V電源的接口，這樣可以方便其它+5V電源的接入。電路如下圖所示：圖4-5 供電模塊電路圖4

14、.6 通信模塊由于所用的單片機為LQFP封裝，所以在下載程序的時候，本電路中使用了串口下載，因為計算機上的電平為232電平，而本電路中所用的是TTL電平，所以在進行通信時需要一電平轉(zhuǎn)換電路，電路中使用MAX232芯片及其電容構(gòu)成一個轉(zhuǎn)換電路，如下圖所示：圖4-6 通信模塊電路圖4.7 4*4鍵盤輸入模塊 由于STC89C51芯片中，I/O口內(nèi)置上拉電阻，所以在制作鍵盤模塊時可以不加電阻。本模塊包括16個鍵位，用來選擇波形和調(diào)節(jié)類型，調(diào)節(jié)所選波形的類型參數(shù)。確認輸出和返回主菜單。鍵盤電路如下圖：圖4-7 鍵盤輸入模塊電路圖5.系統(tǒng)電路設(shè)計整體原理圖：圖5-1 系統(tǒng)整體電路圖6.系統(tǒng)使用操作說明實

15、物的使用主要是通過按鍵進行操作的，本電路中共設(shè)置了5個獨立式鍵盤，分別為S1（功能鍵）、S2（上切鍵）、S3（下切鍵）、S4（加號鍵）、S5（減號鍵）。程序下載之后，給系統(tǒng)上電，液晶上面便顯示三種模式狀態(tài)，分別為定頻模式、掃頻模式、跳頻模式，光標默認在定頻模式上閃爍，可通過S2、S3進行上下選擇，當光標停留在哪個位置時，按下功能鍵S1即可進入相應(yīng)的模式。另外，在每個模式界面上都設(shè)有上下模式選擇按鈕，默認情況下，光標都在上模式按鈕上閃爍，此時，可通過S2、S3來選擇光標閃爍的位置。1、定頻模式所謂定頻模式，就是在輸出頻率范圍內(nèi)設(shè)定任意一個頻率值，即可輸出相應(yīng)的頻率；在定頻模式中主要有步進值的設(shè)定

16、和輸出頻率的設(shè)定，在對輸出頻率設(shè)定時，可先設(shè)定一下步進值，這樣有助于快速設(shè)定相應(yīng)頻率值的大?。焕缭O(shè)定一個1.5MHz的頻率，在初始界面下，先通過S2選擇光標到設(shè)定步進值的位置，然后通過S4選擇步進值為1MHz，再把光標跳到設(shè)定頻率的位置，按下S4把頻率加到1MHz，按下S3把光標返回到設(shè)定步進值的位置，按下S5把步進值減小為100KHz，按下S2再次把光標跳到設(shè)定頻率的位置，按下S4繼續(xù)增加所設(shè)定的頻率值，一直加到1.5MHz，最后按下功能鍵S1，即可輸出相應(yīng)的頻率。2、掃頻模式所謂掃頻模式，就是在設(shè)定的初始、終止頻率范圍內(nèi)，按照所設(shè)定的時間和增量循環(huán)輸出相應(yīng)的頻率；在掃頻模式中，主要設(shè)有初

17、始頻率、終止頻率以及掃描時間，除了這些還有步進值和掃頻增量的設(shè)定，由于液晶界面大小有限，所以把這兩個放在另一個界面上，在掃頻初始界面上有一個中間按鈕，可通過這個中間按鈕進入次界面，操作的方法是當光標在這個按鈕上閃爍時，按下S1即可進入，返回時也是采用這種方法，對于掃頻界面上的設(shè)定和定頻界面上設(shè)定的方法一樣，可先設(shè)定步進值和掃頻增量，然后再設(shè)定初始頻率和終止頻率，最后設(shè)置一下掃描時間，并按下S1即可進行掃頻。3、跳頻模式所謂跳頻，就是在一定的輸出頻率范圍內(nèi)，按照一定的方式，輸出不同的頻率；在跳頻界面上，設(shè)有跳頻增量和跳頻時間間隔，其對應(yīng)的操作和上面的一樣，最后在設(shè)定跳頻間隔時，按下S1即可進行跳

18、頻輸出。注：在掃頻和跳頻模式中，最后按下S1后，其他按鍵就被屏蔽了，再次按下S1時即可恢復(fù)，與此同時，掃頻與跳頻也就終止了。在定頻模式中沒有，只有切換到其他模式時，結(jié)束定頻輸出。7.總結(jié)通過本次課程設(shè)計我們認識到自己的在學(xué)習(xí)上的嚴重不足，加深了對單片機原理及其接口技術(shù)這一課程的更深入的了解，通過查找書本、上網(wǎng)查找資料、與同學(xué)探討，篩選出對自己有用的信息，在整個過程我們真正學(xué)到了課堂上沒有領(lǐng)悟以及沒有學(xué)到的知識。此次課程設(shè)計讓我們深入懂得了本課程知識在實際中的靈活運用，我們將繼續(xù)好好學(xué)習(xí)本課程，努力掌握更多的有用的知識，同時我們也認識到設(shè)計知識的不容易和自己各項能力的欠缺。我們會在以后的學(xué)習(xí)中更

19、加注意基礎(chǔ)知識的鞏固和動手能力的應(yīng)用，在實踐中培養(yǎng)興趣、鞏固知識。此外，隨著集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，使電子儀器的整體水平發(fā)生巨大變化，傳統(tǒng)的儀器逐步的被智能儀器所取代。智能儀器的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，從而加快了智能儀器的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越來越受到人們的關(guān)注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，它是一種能將特定的被測量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件或裝置本次課設(shè)中的半橋電子秤就是在以上儀器的基礎(chǔ)上設(shè)計而成的。因此，只有充分了解有關(guān)智能儀器、單片機、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能達到要求。參考文獻1 胡漢才主編單片機原理及其接口技術(shù)(第3版) 北京：清華大學(xué)出版社，2010，52 賈好來主編MCS-51單片機原理及應(yīng)用北京：機械工業(yè)出版社, 2007,2.3 品俊芳，錢政，袁梅主編傳感器調(diào)理電路設(shè)計理論及應(yīng)用北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2010，84 劉偉主編傳感器原理及實用技術(shù)(第2版)北京：電子工業(yè)出版社, 2009,15 劉愛華，滿寶元主編感器原理與應(yīng)用技術(shù)(第2版)北京：人民郵電出版社，2010，11.6 虞希清主編專用集成電路設(shè)計實用教程浙江：浙