低頻數(shù)字程控信號源的設計和實現(xiàn)電子信息工程專業(yè)

1、低頻數(shù)字程控信號源的設計摘 要本文選定了一種基于DDS芯片AD9850的方案，從而設計出了一款低頻數(shù)字程控信號源。直接數(shù)字頻率合成（DDS）是第三代頻率合成技術，具有分辨率高、頻率變換快等優(yōu)點，本文主要介紹了芯片AD9850以及集成芯片AT89S51做出了詳細的講解。之后根據(jù)設計的需求，將模塊分成了三個部分:上位機管理及串行接口模塊，集成芯片控制模塊和波信號的濾波模塊，然后通過詳盡的文章對于這個部分做出了充分的說明。在軟件設計上，向大家簡單的講述了LabVIEW編程的一些基本概念，讓大家對于這個軟件有了一定的認識。最后，介紹了系統(tǒng)調試的過程，給出了實驗結果，并在此基礎上對信號源的性能指標進行了

2、分析。關鍵詞：DDS（直接數(shù)字頻率合成）；單片機；LabVIEWABSTRACTIn this paper, a scheme based on DDS chip AD9850 is selected, and a low frequency digital programmable signal source is designed. Direct digital frequency synthesis (DDS) is the third generation of frequency synthesis technology, with the advantages of high re

3、solution, fast frequency conversion, etc. This paper mainly introduces the chip AD9850 and integrated chip AT89S51 made a detailed explanation. According to the design requirements, the module is divided into three parts: PC management and serial interface module, integrated chip control module and

4、filtering module wave signal, and then through the detailed articles for this part made a full explanation. In the software design, to tell you a simple LabVIEW programming some of the basic concepts, so that we have a certain understanding of the software. Finally, the system debugging process is i

5、ntroduced, and the experimental results are given.Key words: DDS (direct digital frequency synthesis); MCU; LabVIEWTimes New 目 錄1引言11.1 研究背景11.2 程控信號源的發(fā)展概況11.3 本課題研究的主要內容和意義22 系統(tǒng)的總體設計方案23 硬件電路所用芯片及單片機介紹33.1 DDS模塊介紹33.2 AD9851外圍參數(shù)計算43.4 AT89S51單片機介紹63.5 單片機控制系統(tǒng)的特征73.6 AT89S51單片機功能模塊介紹84電路部分設計94.1計算機控

6、制及接口部分94.2單片機控制部分104.3濾波電路部分125軟件設計135.1 LabVIEW程序設計135.2單片機的編程145.2單片機的編程14結論16武漢晴川學院本科畢業(yè)論文1引言1.1 研究背景近年來隨著微電子技術的迅速發(fā)展，在現(xiàn)代科研、社會生產以及各種電子測量技術中，常常離不開一個高精度、頻率可調的信號源，并且要求由數(shù)字信號來控制，這就是直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)。這幾年在頻率方面的合成技術運用面已經越來越廣，但是說實話，它已經不是新興技術，而是早期就已經出現(xiàn)的。在如今它已經基本將一些傳統(tǒng)的不適應時代的合成器淘汰，并且在對器件的更新方面一直做得很好，所以它的功能適用性已經得到

7、很大的提高，因此它就被人們作用得越來越多，現(xiàn)在它不僅將原本自身的市場牢牢攥在手里同時還漸漸向其他領域入侵。對于數(shù)字科技的作用越來越被人們所看好，并將它們投入運用，它已經進去各行各業(yè)，所以在信號合成方面它也很好的將理論以及自身技術加入其中，從而更新了三代技術的出現(xiàn)，并且得出一個兩者結合的方法，可以高性能的保證合成的效果，它就是頻率的合成方法。它的工作原理并不是傳統(tǒng)的簡單算法，因為加減已經不能適用于現(xiàn)在的產品制造，當然簡單乘除也不行，只有將相位作用其中，通過復雜的，全新理念的算法才能制造出合成頻率。微處理芯片可以將合成所需要的DDS輸入，然后再在事先做好的表進行核對，查詢出數(shù)字合成所需要的信息，從

8、而達到合成效果。這就是將數(shù)字與信號相互轉換的過程，同時達到頻率合成的目的。DDS有很多非常實用有效的功能，如在轉換以及換頻方面所表現(xiàn)出來的速度非?？?，同時報錯性很少，這樣就能節(jié)省很多的時間，同時還有一些其他的優(yōu)點，像在分辨率方面就比之前很多產品都要高很多，本文作者正是基于這一點設計了一款基于DDS技術的低頻數(shù)字程控信號源。1.2 程控信號源的發(fā)展概況 信號源，從字面意思可以將其解為制造不同類型的測量信號的來源。在實驗設計當中，它主要發(fā)揮的作用是激勵信號或仿真信號，在一些很多需要測量數(shù)據(jù)信號的領域有著不錯的運用，如航空航天、生物科技、化學等。目前，程控信號源的設計主要是應用頻率合成技術來實現(xiàn)的。

9、其由于國外的技術較于國內要更加先進。本文中提到低頻數(shù)字程控信號源，從而成就了很多新的技術，這是一個很有價值的演變，它衍生出各種各樣的合成設備，其中加入了DDS和PLL技術，通過這些技術的加入，讓合成器的種類變得越來越多，漸漸滿足了國內在通信方面的市場，這樣的趨勢也將會持續(xù)蔓延，因為科學技術領域是沒有止境的，這將豐富對頻率知識利用的，加上數(shù)字信號的合成器市場。根據(jù)市場的實際情況，可以得出我國的經濟市場中對著一塊的需求量還是非常大的，所以在數(shù)字合成一方面的前景還是很樂觀的。1.3 本課題研究的主要內容和意義對于在數(shù)字合成方面，我國的技術遠沒有國外的發(fā)達，所以我國很多的電子數(shù)字產品都要從國外進口，這

10、就導致了國外在這些高新技術方面進行了壟斷，合成器的制造現(xiàn)在還有很大的缺口，需求量很大，在通信方面的發(fā)展也需要這項技術的技術成果，而我國通信的發(fā)展已經達到每個人都需要使用這項產品，所以要加強這方面的技術研究，本課題通過對DDS技術的研究以及設計實現(xiàn)，讓頻率數(shù)字合成器的設計研究得到改善，從而擺脫國外在這方面的壟斷。2 系統(tǒng)的總體設計方案本設計基于單片機和DDS芯片AD9850的低頻程控信號發(fā)生器，系統(tǒng)包括單片機AT89C51、DDS芯片AD9850、功能鍵盤、低通濾波器和放大電路。鍵盤的作用是就是數(shù)據(jù)的輸入，微處理芯片在鍵盤輸入之后對相應的部件進行記錄，芯片中的數(shù)字頻率會將已經被存入的數(shù)據(jù)放到顯示

11、的地方，展現(xiàn)出來，而同時信號波會被記錄出來，這是從AD9850發(fā)射出來的。圖 2.1 系統(tǒng)結構流程圖整個系統(tǒng)可以分為以下幾個部分:（1）微機控制及串行接口部分。這部分運用LabVIEW完成相關工作，通過運用串口數(shù)據(jù)線完成微機和單片機之間的通信以及控制處理。需要注意點是在接口電路進行電平的處理之后，89S51集成控制芯片才能夠識別數(shù)據(jù)，線索傳遞的信息內容。（2）單片機控制部分這個部分是整個系統(tǒng)的核心內容。包括89S51集成芯片控制的DDS芯片，9S51集成控制芯片管理幅度數(shù)值以及89S51集成控制芯片波形信號選擇。（3）濾波部分這一部分的功能是對AD9850的輸出信號進行低通濾波，濾除高頻分量此

12、正弦波可直接用作頻率信號源或轉換成方波用作時鐘輸出。3、硬件電路所用芯片及單片機介紹3.1 DDS模塊介紹如圖3.1所示可以看出DDS由幾個部件組成，以下是對三種部件的介紹。第一個就是能夠控制頻率的，將鍵盤輸入的信息進行控制的一種寄存器，它的作用就是存儲，方式是按照并、串的方式將用戶的信息內容。另一種是用于算法當中的累加器，它能夠將一定時間范圍內的數(shù)據(jù)字符進行累加，這樣做的結果就是將一個只進行運算，得出其相位。還有一種是專門對累加所得的結果進行相應的分析，得出它的波動性質的儀器稱之為正弦器，它的主要作用就是將波動所得正弦進行相應的數(shù)學計算，這種方法是如今比較有效的，如果用其他方法，那就要用微處

13、理器了。在研究初期就要制定好一張相應的調查表，這個表是能夠進行查詢的，將所得到的正弦進行對比。整體來說就是先讓DDS記錄用戶所有的信息，然后進行累加效應，通過一時鐘效果的c，在它的作用之下就能在一定時間內進行累加，然后生成一個數(shù)模(DA)，最后由數(shù)字的改變就等于最后完成。3.1DDS原理圖 3.2 AD9851外圍參數(shù)計算AD9851記錄的頻率可以非常大，它是專門對于時間方面的頻率，最大值可以是180MHz。計算它的方式需要選用一個較小的值，可以是30MHz，在總數(shù)的三分之一的情況下進行公式計算，求得最大的頻率值:AD985最主要的部件就是它體內的一個累加裝置，它被設置為相位的專門計算，總共由

14、40位控制裝置組成，它們所要制造的效果是將字符進行相應的編碼，其中還有5個對于頻率的編碼器，還有一個專門對時間控制的相位。AD89C51采用并行方式通過8位數(shù)據(jù)線D0D7將數(shù)據(jù)輸入到AD9851的內部數(shù)據(jù)寄存器，寄存裝置就會將指針的轉動數(shù)據(jù)進行存儲，相位所得出的數(shù)據(jù)也會從40位中被輸入，這樣的目的是將指針發(fā)生改變，這樣就能讓它隨之存入寄存器當中。其中有五分之一的，排在最前面的數(shù)據(jù)組會被用在控制字符，而相應的相位也能隨之得出，這樣就能控制頻率的改變，本設計當中也需要六倍的頻率，這樣就能對相應的控制電路進行開關控制，而其他的五分之四的數(shù)據(jù)就要用W1、W2、W3、W4進行裝載。在這些都完成之后就要將

15、5個W_CLK對著向上的方向進行沿升，這就可以兩相應信號的地址進行存儲，而存儲的地方就是之前說的存儲器。其時序圖如3.2所示。本設計中，要求在1KHz70MHz范圍內，合成70000個頻率點，步長為1kHz,在1KHz以下合成1、2、3 10、20、30 100、200、300 Hz。外部輸入參考時鐘30MHz，在6倍參考時鐘倍頻器工作方式下，則系統(tǒng)最高時鐘r=180 MHz，相位寄存器位數(shù)n=32。頻率控制字計算公式：k=2no/r例如要得到1MHz的輸出頻率，計算得到k=16C16C1即W1=00000001 W2=01101100 W3=00010110 W4=11000001（W1為高

16、字節(jié)）。AD9850的引腳排列如圖3.2所示 圖3.2 AD9850引腳圖3.4 AT89S51單片機介紹AT89S51單片機是一種低功耗、高性能的集成控制芯片，內部擁有空間為4KB(flash EPROM）的8位CMOS微控制器，能夠滿足絕大部分的程序存儲工作。這個單片機將能夠進行8位運算的中央處理器與閃爍可編程可擦除只讀存儲器結合在一個芯片上。單片機可以針對一個器件實時地對其進行控制，且不易出錯。另外就是單片機的功能是依賴于軟件程序的，而程序的變化也讓單片機的功能變得多樣。所以能夠提供高效、便捷的嵌入式控制方案。單片機特征介紹：(1)集成度高、體積小單片機把很多的功能部件都集成在一塊小小的

17、芯片上，可見單片機的體積是很小的，而由于這種集成芯片組成的應用系統(tǒng)結構十分簡單，因此能夠滿足很多應用領域對硬件的功能要求。(2)面向控制、功能強單片機可以針對一個器件實時地對其進行控制，且不易出錯。另外就是單片機的功能是依賴于軟件程序的，而程序的變化也讓單片機的功能變得多樣。(3)抗干擾能力強單片機內的核心部件接收及訪問其他各種部件內容的過程，因為連接它們的線均是安裝在里面的，這樣的話就很好地隔絕了單片機和外界環(huán)境，能為單片機提供優(yōu)良的工作環(huán)境，不易受到干擾。另外由于單片機的適應溫度范圍很寬，它可以在各種惡劣的外界環(huán)境中工作。(4)使用方便單片機的應用系統(tǒng)硬件設計結構十分簡單，內部功能很強，體

18、積又小，系統(tǒng)擴展方便，由于國內外也提供了很多的開發(fā)工具，這就使單片機的應用極為方便，并讓整個控制系統(tǒng)的效率大大地提高了。 (5)性能價格比高單片機的功能繁多且功能性較強，當然它的價格也比較實惠，安裝調試也很簡單，這些因素都大大地提高了它的性價比。(6)容易產品化產品化體現(xiàn)在哪些地方呢，單片機硬件組成十分簡單，再加以簡易的軟件程序，就可設計出各種產品，實現(xiàn)不同的功能。圖3.3 AT89S51單片機引腳圖3.5 單片機控制系統(tǒng)的特征單片機控制系統(tǒng)有以下5個顯著的特點：(1)技術集成和系統(tǒng)復雜度高現(xiàn)今的單片機控制系統(tǒng)集成了多種新型技術，相比起以前的單片機，現(xiàn)在的單片機更智能，更方便。儲存空間更大，傳

19、輸信息也更快了。(2)可靠性高和可維護性好自診斷技術是評價一個系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。由于單片機控制系統(tǒng)采取了有效且準確地自診斷，當單片機控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，則可以很快顯示出故障部位，并加以修復。這就讓單片機工作起來更穩(wěn)當，更可靠，出現(xiàn)故障后，維護起來也很方便。(3)抗干擾能力強這種集成控制芯片的抗干擾能力有很多方面的影響。首先，很多設計者認為最重要的就是單片機是把各種功能部件，以及連接各種功能部件的傳輸線都安裝在單片機內部，大大減小了外界對它的影響。再一個就是單片機正常工作的溫度范圍較寬，再惡劣的溫度條件，它都可以很好地工作。但值得我們注意的是干擾單片機控制系統(tǒng)運行的不止這些因素，比如還有

20、電磁干擾，光電干擾等等。(4)控制的多功能性單片機控制系統(tǒng)具有集中操作、實時控制、控制管理、生產管理等功能。(5)應用的靈活性單片機控制系統(tǒng)的運行還依賴于應用軟件，而軟件的各種功能則依賴于繁多的編程，程序的改變就可以實現(xiàn)不同的功能，所以單片機控制系統(tǒng)應用起來特別靈活的。此外，環(huán)境適應能力強，外部擴展能力強，信息涉及領域廣，操作便利等也是單片機控制系統(tǒng)的特點。3.6 AT89S51單片機功能模塊介紹 （1）晶振模塊介紹 晶振全稱晶體振蕩器，這一元器件可以在大部分的集成芯片當中見到，發(fā)揮著不可替代的重要作用。內部的電路需要在這個基礎上才能夠擁有一定的執(zhí)行操作時間概念，換句話說就是時鐘頻率。衡量一個

21、集成芯片運算，以及處理的速度，通常需要觀察集成芯片的晶振頻率，他們兩者之間存在一種正比例的關系。這個參數(shù)越大，那么單片機的運行速度也就越快。這一元器件的運行原理是通過是用內置的某種晶體使處于共振的狀態(tài)下，發(fā)生電能和機械能兩者之間產生一定轉換效果，這樣就能夠產生恒定、精確的頻率。這一工作元器件需要完成預設電子電路系統(tǒng)當中的時鐘信號，為了能夠使得電路系統(tǒng)在執(zhí)行相關功能模塊的時候擁有一定的同步性，因此會使用同一個頻率的晶振，會采取共用一個晶振的方法。（2）復位模塊復位電路，在絕大多數(shù)的電子電路當中起到的功效是讓整個系統(tǒng)所需的電路實現(xiàn)重置，也就是初始狀態(tài)，你可以將其理解為系統(tǒng)的清零按鈕，出現(xiàn)了異常狀況

22、之后，按下就能夠讓它滿血復活，重新開始運行。然而大家在使用這一功能的時候需要主要某些問題，不同的運作工作環(huán)境當中選擇的方式也有所不同：一、當有電源接入電路的時候，按下按鈕電路將馬上完成復位操作；二、在特定的情況下，使用者需要通過手動進行；三、根據(jù)內部設定的運行參數(shù)，當達成某一條件之后就會自動進行。一般情況下，搭建一個復位電路所需要的元器件類型不多，一定阻值的電阻、和電容就能夠辦到。4電路部分設計4.1計算機控制及接口部分計算機控制主要體現(xiàn)在軟件上，這里介紹硬件上接口電路的結構。微機與集成芯片的接口部分原理圖如圖3所示。其中MAX232A包含兩路驅動器和接收器的RS-232轉換芯片。為了方便整個

23、控制處理中心和上位機完成信息的交換和傳遞，因此選擇單片機自身攜帶的串口進行通信。為了能夠讓整個過程平穩(wěn)運行，因此特別添加了3V轉換電平芯片MAX3232，當信息內容換成轉換處理之后，運用連接數(shù)據(jù)線與單片機機完成信息傳遞路徑的搭建，從而就能夠完成信息的發(fā)送和接收。圖4.1計算機與單片機串行通訊接口電路圖4.2單片機控制部分該部分包括89S51集成芯片控制的DDS芯片，89S51集成控制芯片管理幅度數(shù)值以及89S51集成控制芯片波形信號選擇。其中最重要部分應該屬于集成芯片控制DDS芯片。下面分別予以介紹。首先我們來對集成芯片AT89S51連接的DDS芯片進行分析，如下圖4所示，當集成芯片和AD98

24、50通過正確方式能夠形成不同類型的波信號。這個操作正確地進行，才可以聽到接下來的幅度管理以及波信號的判斷和選取，因此可以看出這個部分是整個設計當中最為重要的一個環(huán)節(jié)。事實上，集成芯片和AD9850連接的方式并沒有限制，可以通過并行，也可以通過串行的方案進行對接，ARe設計的，需要考慮到讓整個系統(tǒng)發(fā)揮高效率，在集成芯片內部資源沒有被全部占用情況下，應該選擇效率更好的并行方式。如圖4.2，在硬件上，AD9850的數(shù)據(jù)線D0D7與單片機P1口相連，F(xiàn)QUD和WCLK分別和P2.6和P2.7相連，RESET端與單片機的復位端直接相連。圖4.2 AT89S51并行加載AD9850接口電路CD4051可以

25、將其視為一個多功能的獨立開關。當這個開關想要接觸某一個路徑的時候，就傳送一個長度為3位地址碼A。INH”是禁止端，當做一個字符顯示為1的時候，那么開關不會和任何電路進行連接。CD4051同時還包括了一個電源端VEE，主要的作用是將電平按照規(guī)劃進行位移，這樣就能夠實現(xiàn)通過單組電源提供能量的情況下，完成對這種多路開關的直接管理。因為我們只有兩路信號正弦波和方波，因此我們只用到其中的兩路開關I/O0和I/O 1，路信號只需用一位控制即可，如圖，我們將B,C接地，A接單片機的P3.2，這樣當P3.2為低電平時選通I/O0，即I/O口輸出正弦波;當P3.2為高電平時選通I/O 1,即I/O口輸出方波，從

26、而實現(xiàn)了波形選擇的功能。圖4.3 CD4051結構原理圖圖4.4 AD5220控制幅度示意圖圖4.5幅度控制等效電路最后看幅度控制部分。該部分選用數(shù)字電位器AD5220來實現(xiàn)的。A本文選取的是歐姆數(shù)值為10的器件。如圖6 AD5220在系統(tǒng)中的使用的示意圖。單片機的P2.3口接CLK引腳，P2.4接U/D引腳，AD9850輸出的信號接入A1引腳，從WI輸出信號。在上電后AD5220的內部滑動端自動恢復在中間的位置，軟件控制P2.4為高電平的時候，隨著P2.3的每一個下降沿，滑動頭W1就向A前進一個位置;而當控制P2.4為低電平的時候，隨著P2.3的每一個下降沿，滑動頭W1就向B前進一個位置，從

27、而實現(xiàn)改變電阻大小的目的，也即實現(xiàn)了幅度控制。4.3濾波電路部分由于AD9850的性能非常好，因此，使用者能夠通過它觀察到較為理想的波形信號。DDS處理器能夠將系統(tǒng)的波和干擾都進行計算，這是濾波器的基本單位，波的計算要通過諧波分量作為基本值，干擾就要按照系統(tǒng)中現(xiàn)實的時間進行干擾。對于波動的篩選，要進行嚴格的選擇，從很多方面進行選擇，比如它的特性還有相應參數(shù)的選擇等等，所以要設計一個專門的，對波動進行選擇的濾波器，它的主要工作是對電路，阻抗等方面進行相應的賦值，這樣就給予確定元件確定的大小值一個基礎，從而設計出相應的線性關系，同時將以上所有數(shù)據(jù)進行歸一。 濾波后的正弦波一方面直接接到波形選擇的一

28、路開關上，另一方面接到AD9850的比較器輸入端上，產生的方波再接到另一路開關上，由單片機選擇輸出。圖4.5濾波器原理圖5軟件設計5.1 LabVIEW程序設計前面板可以將其視為一個人機信息互換的一個窗口，說著還可以在這當中完成程序代碼的編寫，從而實現(xiàn)各種功能模塊的作用能，圖3-14就是對應的LabV IE W框圖程序，這個部分主要用于完成對于信息內容的轉化，以及信息內容的通訊。這里要介紹一下頻率控制字和相位控制字的轉化。設輸出信號的頻率為，參考頻率為CLKIN，AD9850的頻率控制字為，則三者之間的關系為:例如，CLKIN=12MHz，輸出信號的頻率為100Hz，則向AD9850寫入的頻率

29、控制字為:再看相位控制字的計算。AD9850芯片中有5比特用于相位控制，所以，相位控制的精度為360/25=11.25，用二進制表示為00001，根據(jù)實際需要，設置不同的相位控制字，就可以實現(xiàn)精確的相位控制。5.2單片機的編程5.2單片機的編程89S51集成控制芯片的程序是用的MCS-51將匯編語言翻譯成了機器語言。通常在89S51集成控制芯片的研發(fā)過程中必須使用的器械包括:研發(fā)的周邊情況和將能編程的集成電路插入數(shù)據(jù)的工具等。因為這個系統(tǒng)的89S51集成控制芯片程序還是不復雜的，所以在研發(fā)過程中就沒有涉及到調試器的問題，研發(fā)的時候使用的是MCS-51的集成研發(fā)條件，能編程的集成電路插入數(shù)據(jù)的工

30、具使用的是Top2000這個體系的。全部的89S51集成控制芯片程序的構造能夠看成是由主要程序和一些附屬于主要程序的子程序構成。圖5.1單片機主程序流程圖讓我們大家先來觀察主要的程序，圖9畫出了89S51集成控制芯片主要程序的一個流程圖。主要程序需要規(guī)律執(zhí)行的任務就是對這個系統(tǒng)進行一個初始化，再來就是守候程序的串口中間斷開，這也就意味著是在守候AD9850和以前不一樣的掌控字的數(shù)字。對這個系統(tǒng)開始初始化是需要兩個步驟的。一個是89S51集成控制芯片串行聯(lián)系的最初的裝備，再利用子程序的一些變化來使其成真，接下來的文章中會拿出這個子程序圖:圖5.2子程序配置圖這里重點介紹一下定時器初始值是如何計算

31、來的。由上面的程序可以看出，SCON被賦值50H，也就是單片機被設置成工作方式1。在方式1時，串口發(fā)送或接收10位的數(shù)據(jù)，此10位分別是1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，此時發(fā)送數(shù)據(jù)的速率(也就是波特率)是可變的，由定時/計數(shù)器1(通常為自動載入模式)的溢出率決定，如下式:式中定時/計數(shù)器1的溢出率即為，N為定時器計數(shù)初值，SMOD為波特率加倍設置位，等于0時波特率不加倍，而等于1時波特率加倍，對于本系統(tǒng)，,，如上面的程序，將波特率設置為2400,則:即將定時/計數(shù)器1的初值設為F3H。另一個就是對AD9850的初始控制，需要調用整個單片機程序的核心程序單片機并行加載AD98S0的控制字程序。