基于DDS的信號(hào)發(fā)生器

1、編號(hào)： 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 基于DDS的信號(hào)發(fā)生器 院 （系）： 信息與通信學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 學(xué)生姓名： 峰之使者 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2014年 12 月 21 日摘 要隨著信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子系統(tǒng)對(duì)波形發(fā)生器提出了更高的要求。直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesize，DDS）是一種重要的頻率合成技術(shù)，具有分辨率高，頻率變換快等優(yōu)點(diǎn)。利用鍵盤(pán)輸入波形頻率，存入單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制諾基亞5110液晶屏，讓諾基亞5110液晶顯示輸入頻率的大小。再通過(guò)單片機(jī)控制AD9851，再經(jīng)過(guò)AD9851內(nèi)部的相位累加器、相位寄存器、正弦查詢表、DAC轉(zhuǎn)換器、內(nèi)

2、部低通濾波器，然后經(jīng)低通濾波器后，可輸出正弦波,外接一個(gè)高速比較器，可以輸出方波,通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)滑動(dòng)變阻器，改變方波的占空比，為了克服有線連接繁瑣的缺點(diǎn)，利用了無(wú)線模塊NRF24L01進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)數(shù)據(jù)通信，可以遠(yuǎn)距離控制。 關(guān)鍵詞：DDS；單片機(jī)；AD9851；無(wú)線模塊NRF24L01；AbstractWith the development of information technology, modern electronic system puts forward higher requirements on waveform generator.Direct digital syn

3、thesis （Direct Digital Synthesize，DDS）is an important kind of frequency synthesis technology, with high resolution, frequency conversion fast, etc.Using the keyboard input waveform frequency, deposited in the single chip microcomputer, through single chip microcomputer control the nokia 5110 LCD scr

4、een, let nokia 5110 LCD displays the size of the input frequency.Is controlled by single chip AD9851, then through AD9851 internal phase accumulator, phase registers, sine lookup table, DAC converters, internal low pass filter, and then after low pass filter, output sine wave, external a high-speed

5、comparator, can output pulse, by adjusting a slide rheostat, change the duty cycle square wave, wired connection trival in order to overcome the shortcomings, the use of the wireless module NRF24L01 for data transmission, through the data communication, remote control.Key word：DDS; Entire numerical

6、control; Monolithic integrated circuit; wireless module;目錄引言11任務(wù)要求與設(shè)計(jì)的背景11.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求11.2課題背景11.3直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的現(xiàn)狀12 系統(tǒng)總體方案的分析和設(shè)計(jì)22.1 DDS技術(shù)的基本原理22.2 DDS的工作特點(diǎn)32.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理32.4系統(tǒng)框圖分析和設(shè)計(jì)43 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)43.1單片機(jī)最小系統(tǒng)43.1.1時(shí)鐘電路43.1.2復(fù)位電路53.2單片機(jī)I/O口53.3 DDS芯片63.3.1 AD9851的串、并行通信73.3.2單片機(jī)與AD9851的接口83.4無(wú)線模塊84 信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)95 電路

7、的總體電路圖及實(shí)物圖105.1系統(tǒng)原理圖105.2系統(tǒng)的PCB圖105.3實(shí)物圖106 電路的調(diào)試及測(cè)試結(jié)果116.1正弦波測(cè)試的波形116.2方波測(cè)試的波形116.3軟件的調(diào)試127 總結(jié)12謝 辭14參考文獻(xiàn)15附 錄16引言直接數(shù)字頻率合成是一種由一個(gè)高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)參考頻率源，產(chǎn)生千百萬(wàn)個(gè)具有同一頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的信號(hào)的技術(shù)，它具有模擬頻率合成器難以比擬的優(yōu)點(diǎn)，是簡(jiǎn)化和改善頻率合成技術(shù)的有力工具。主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）頻率轉(zhuǎn)換快：DDS頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，一般在ns級(jí)；（2）頻率分辨率高;(3)頻帶寬；(4)相位可調(diào)接口簡(jiǎn)單。DDS系統(tǒng)其輸出信號(hào)波形類(lèi)型可設(shè)置、其輸出信號(hào)幅度與頻率可數(shù)

8、控、輸出頻率寬、波形失真小等要求，并通過(guò)單片機(jī)程序控制和處理AD9851的32位頻率控制字，從而實(shí)現(xiàn)了頻率數(shù)字控制。1任務(wù)要求與設(shè)計(jì)的背景1.1設(shè)計(jì)任務(wù)要求本論文的任務(wù)是根據(jù)DDS信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)和應(yīng)用情況，結(jié)合新一代高性能芯片設(shè)計(jì)一種使用簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的信號(hào)發(fā)生器。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)STC89S52控制，DDS芯片AD9851為核心，配置相應(yīng)的外設(shè)及接口電路，用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，組成一個(gè)多功能的程控信號(hào)發(fā)生器，另外加一個(gè)無(wú)線模塊，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。1.2課題背景在現(xiàn)代雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等系統(tǒng)中頻率合成器有著廣泛的應(yīng)用，它是電子系統(tǒng)的心臟，是決定電子系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能都直接

9、依賴(lài)于所使用的頻率合成器的性能。直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是近二十年新興的一種頻率合成技術(shù)，它具有分辨率高、切換速度快、相位連續(xù)等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于DDS技術(shù)具有眾多優(yōu)點(diǎn)，使得它在通信領(lǐng)域如數(shù)字調(diào)制、移動(dòng)通信、擴(kuò)頻通信等方面得到了廣泛使用。1.3直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的現(xiàn)狀隨著數(shù)字信號(hào)理論和超大規(guī)模集成電路VLSI的發(fā)展，在頻率合成領(lǐng)域誕生了一種革命性的技術(shù)，那就是七十年代出現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成DDS，它的出現(xiàn)標(biāo)志著頻率合成技術(shù)邁進(jìn)了第三代。1971年3月J.Tiemey和C.M.Tader等人首先提出了DDS的概念；利用數(shù)字方式累加相位，再以相位之和作為地址來(lái)查詢正弦函數(shù)表得到正弦波幅度的離

10、散數(shù)字序列，最后經(jīng)DA變換得到模擬正弦波輸出。在系統(tǒng)時(shí)鐘一定的情況下，輸出頻率決定于頻率寄存器中的頻率字。而累加器的字長(zhǎng)決定分辨率?；谶@樣的結(jié)構(gòu)DDS頻率合成器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)2N個(gè)頻點(diǎn)(N為DDS相位累加器的字長(zhǎng))；(2)頻率切換速度快，可達(dá)岸us量級(jí)；(3)頻率切換時(shí)相位連續(xù)；(4)可以輸出寬帶正交信號(hào)；(5)輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用；(6)可以產(chǎn)生任意波形；(7)全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。運(yùn)用DDS技術(shù)生產(chǎn)的DDS任意波形信號(hào)發(fā)生器是一類(lèi)較新的信號(hào)源并已經(jīng)廣泛投入使用。它不僅能產(chǎn)生傳統(tǒng)函數(shù)信號(hào)器能產(chǎn)生的正弦波、方波

11、、三角波、鋸齒波，還可以產(chǎn)生任意編輯的波形。由于DDS的自身特點(diǎn)，還可以很容易的產(chǎn)生一些數(shù)字調(diào)制信號(hào)，如FSK PSK等，一些高端的信號(hào)發(fā)生器甚至可以產(chǎn)生通信信號(hào)。同時(shí)輸出波形的頻率分辨率、頻率精度等指標(biāo)也有很大的提高。2 系統(tǒng)總體方案的分析和設(shè)計(jì)2.1 DDS技術(shù)的基本原理DDS的基本工作原理是在采樣時(shí)鐘信號(hào)的控制下，通過(guò)由頻率碼控制的相位累加器輸出相位碼，將存儲(chǔ)于只讀存儲(chǔ)器的波形量化采樣數(shù)據(jù)值按一定的規(guī)律讀出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波后輸出正弦信號(hào)。其主要組成為：相位累加器、相位相加器、波形存儲(chǔ)器、數(shù)字相乘器和D/A轉(zhuǎn)換器。下面就AD9851如何實(shí)現(xiàn)正弦波和方波來(lái)介紹DDS的基本原理，如圖2

12、-1所示。圖2-1中層虛線內(nèi)是一個(gè)完整的可編程DDS系統(tǒng)，外層虛線內(nèi)包含了AD9851的主要組成部分。AD9851內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成。每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng)M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0360范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC以輸出模式量。相位寄存器每過(guò)2N/M個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相位地正弦

13、查詢表每一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè)DDS系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波周期To=Tc*2N/M，頻率fout=M*fc/2N，Tc、fc分別為外部參考時(shí)鐘的周期和頻率。AD9851采用32位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?4位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截?cái)喑?0位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。DAC滿量程輸出電流通過(guò)一個(gè)外接電阻RSET調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)關(guān)系為ISET=32(1.148V/RSET)，RSET的典型值是3.9k。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到AD9851內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波。AD9851在接上精密時(shí)鐘源和寫(xiě)入頻率相位控制字之間后就可

14、產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125MHz的時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使AD9851的輸出頻率分辨率達(dá)0.0291Hz；并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180、90、45、22.5、11.25或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整。圖2.1 AD9851的結(jié)構(gòu)框圖2.2 DDS的工作特點(diǎn)DDS的原理使其具備了以下優(yōu)良的工作特點(diǎn):(1)頻率分辨率高如前所述，DDS的分辨率在fc固定時(shí)，取決于相位累加器的位數(shù)N，只要N取足夠大，理論上可以獲得相應(yīng)的頻率分辨精度，這在傳統(tǒng)的頻率合成方法上是難以實(shí)現(xiàn)的。(2)頻率變化速度快在

15、DDS中，一個(gè)頻率的建立時(shí)間通常取決于濾波器的帶寬。其影響因素有內(nèi)部數(shù)控振蕩器內(nèi)的工藝結(jié)構(gòu)、數(shù)模變換及其它可能的信號(hào)處理步驟產(chǎn)生的時(shí)延，其中數(shù)字信號(hào)處理部分的時(shí)延與時(shí)鐘周期相關(guān)。由于DDS中無(wú)須相位反饋控制，因而頻率建立及切換快并且與頻率分辨率、頻譜純度相互獨(dú)立。(3)易于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制由于DDS信號(hào)的頻率、相位、幅度均可由數(shù)字信號(hào)控制，所以可以通過(guò)預(yù)置內(nèi)部相位累加器的初始值來(lái)精確控制輸出信號(hào)，調(diào)幅時(shí)直接在ROM表輸出端對(duì)幅度進(jìn)行控制，調(diào)相時(shí)在相位累加器輸出端直接加上調(diào)制信號(hào)即可，調(diào)頻可通過(guò)頻率控制字進(jìn)行，在進(jìn)行CHIRP調(diào)制時(shí)，也只需在頻率控制字前再加一個(gè)累加器即可。同時(shí)，DDS也非常易于

16、實(shí)現(xiàn)如PSK、FSK等高精度的數(shù)字調(diào)制和正交調(diào)制。(4)集成度高DDS中除了濾波器以外，幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號(hào)處理部件，系統(tǒng)易于集成，功耗低，體積小，重量輕。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理本文提出的采用DDS作為信號(hào)發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案， 根據(jù)輸出信號(hào)波形類(lèi)型可設(shè)置、輸出信號(hào)幅度和頻率可數(shù)控、輸出頻率寬等要求，選用了美國(guó)A/D公司的AD9851 芯片，并通過(guò)單片機(jī)程序控制和處理AD9851的32位頻率控制字， 再經(jīng)放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡(luò)， 從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)幅度、頻率、類(lèi)型以及輸出等選項(xiàng)的全數(shù)字控制。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、DDS直接頻率信號(hào)合成器、數(shù)字衰減電路、真

17、有效值轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字積分選擇電路等部分組成。單片機(jī)STC89C52是整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵部分，通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描讀入相位信息，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出到芯片AD9851，輸出波形。鍵盤(pán)輸入的數(shù)字信息經(jīng)STC89C52控制的諾基亞5110液晶屏顯示。2.4系統(tǒng)框圖分析和設(shè)計(jì)低通濾波器AD9851系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2-2所示，主要由單片機(jī)控制模塊、鍵盤(pán)與顯示模塊、數(shù)字合成模塊、濾波模塊。其中，信號(hào)產(chǎn)生由單片機(jī)控制模塊和數(shù)字合成模塊實(shí)現(xiàn)，鍵盤(pán)與顯示模塊則用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，濾波模塊及運(yùn)放模塊用來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行后期處理。4x4矩陣鍵盤(pán)第二塊單片機(jī)正弦波輸出第一塊單片機(jī)通信無(wú)線模塊1無(wú)線模塊2方波輸出高速比較

18、器圖2.2 信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用STC公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash、256字節(jié)RAM、32 位I/O 口線、看門(mén)狗定時(shí)器、2個(gè)數(shù)據(jù)指針、二個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)

19、6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。一般單片機(jī)需外接一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路,如圖3.1和圖3.2所示。3.1.1時(shí)鐘電路 圖3.1 時(shí)鐘電路XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時(shí)，外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時(shí)，時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，如晶振為1

20、2MHz，時(shí)鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。STC89C52中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。片外石英晶體或者陶瓷諧振器及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容C1、C2雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，這里采用電容22pF，晶振采用12MHz。3.1.2復(fù)位電路 STC89C52的外部復(fù)位電路有上

21、電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位。上電復(fù)位電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)按鍵復(fù)位又分為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位。按鍵電平復(fù)位電路是在普通RC復(fù)位電路的基礎(chǔ)上接一個(gè)有下拉電阻10K、上拉電容10f接VCC,電源由開(kāi)關(guān)接至復(fù)位腳（和上拉電容并聯(lián)），上拉電容支路負(fù)責(zé)在“上電”瞬間實(shí)施復(fù)位；開(kāi)關(guān)通過(guò)10K下拉電阻分壓器，保證對(duì)單片機(jī)實(shí)施按鍵電平復(fù)位。電路圖如下圖3.2所示：圖3.2復(fù)位電路3.2單片機(jī)I/O口P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，

22、P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I

23、/O 口，P2 輸出緩沖器。能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。3.3 DDS芯片本系統(tǒng)采用了美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品 AD9851 芯片。AD9851

24、是在 AD9850 的基礎(chǔ)上，做了一些改進(jìn)以后生成的具有新功能的 DDS 芯片。AD9851 相對(duì)于 AD9850 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是多了一個(gè) 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為 180MHz 時(shí)，在參考時(shí)鐘輸入端，只需輸入 30MHz 的參考時(shí)鐘即可。AD9851 是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器的 DDS 芯片、10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個(gè)部分組成。其中具有 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器的 DDS 芯片是由 32 位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、D/A 變換器以及低通濾波器集成到一起。這個(gè)高速 DDS 芯片時(shí)鐘頻率可達(dá) 180MHz， 輸出頻率可達(dá) 7

25、0 MHz，分辨率為 0.04Hz。AD9851采用28引腳的SSOP表面封裝，其引腳排列如圖3-5所示，各引腳定義如下：D0D7：8 位數(shù)據(jù)輸入口，可給內(nèi)部寄存器裝入 40 位控制數(shù)據(jù)。PGND：6 倍參考時(shí)鐘倍乘器地。PVCC：6 倍參考時(shí)鐘倍乘器電源。圖3.3 AD9851管腳示意圖CLK：字裝入信號(hào)，上升沿有效。FQ-UD：頻率更新控制信號(hào)，時(shí)鐘上升沿確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)有效。FREFCLOCK：外部參考時(shí)鐘輸入。 CMOS/TTL 脈沖序列可直接或間接地加到 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器上。在直接方式中，輸入頻率即是系統(tǒng)時(shí)鐘；在 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器方式，系統(tǒng)時(shí)鐘為倍乘器輸出。 AGND：模擬地。A

26、VDD：模擬電源(+5)。 DGND：數(shù)字地。 DVDD：數(shù)字電源(+5)。 RSET、DAC：外部復(fù)位連接端。 VOUTN：內(nèi)部比較器負(fù)向輸出端。 VOUTP：內(nèi)部比較器正向輸出端。 VINN：內(nèi)部比較器的負(fù)向輸入端。 VINP：內(nèi)部比較器的正向輸入端。DACBP：DAC 旁路連接端。 IOUTB： “互補(bǔ)”DAC 輸出。 IOUT：內(nèi)部 DAC 輸出端。 RESET：復(fù)位端。低電平清除 DDS累加器和相位延遲器為 0Hz 和 0 相位，同時(shí)置數(shù)據(jù)輸入為串行模式以及禁止 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器工作。3.3.1 AD9851的串、并行通信AD9851的串行操作有兩種數(shù)據(jù)傳送方式，即從最高位開(kāi)始傳

27、送和從最低位開(kāi)始傳送，這是由控制寄存器1的第8位來(lái)決定的。默認(rèn)狀態(tài)為低電平，此時(shí)先傳送最高位，若為高電平則先傳送最低位。串行操作的時(shí)序如圖3.5所示。圖3.4 控制字串行輸入時(shí)序圖在串行輸入方式,W-CLK上升沿把25引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入,當(dāng)移動(dòng)40位后,用一個(gè)FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖3.5是相應(yīng)的控制字串行輸入的控制時(shí)序圖。AD9851的復(fù)位(RESET)信號(hào)為高電平有效,且脈沖寬度不小于5個(gè)參考時(shí)鐘周期。AD9851的參考時(shí)鐘頻率一般遠(yuǎn)高于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率, 因此AD9851的復(fù)位(RESET)端可與單片機(jī)的復(fù)位端直接相連。圖3.5 控制字并行輸入的時(shí)序圖在并行工作方式中

28、,通過(guò)8位總線D0-D7將可數(shù)據(jù)輸入到寄存器,在重復(fù)5次之后再在FQ-UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS輸出頻率和相位),同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器。接著在W-CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù),并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器,連續(xù)5個(gè)W-CLK上升沿后, W-CLK的邊沿就不再起作用,直到復(fù)位信號(hào)或FQ-UD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個(gè)寄存器。3.3.2單片機(jī)與AD9851的接口單片機(jī)與AD9851的接口既可采用并行方式,也可采用串行方式,但為了充分發(fā)揮芯片的高速性能,應(yīng)在單片機(jī)資源允許的情況下盡可能選擇并行方式,本文為了減少連線，使用了串行接口。串行接

29、口方式相對(duì)并行接口電路比較簡(jiǎn)單,但占用單片機(jī)資源相對(duì)較多,圖3.7是I/O方式串行接口的電路圖,AD9851的數(shù)據(jù)線D0D7與P1口相連, FQ_UD和W_CLK分別與P2.5(10引腳)和P2.4(11引腳)相連,所有的時(shí)序關(guān)系均可通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)。圖3.6 AD9851與單片機(jī)的串行連接3.4無(wú)線模塊NRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流

30、也只有9 mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。圖3.7無(wú)線模塊的引腳圖4 信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)在應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是建立在具體硬件電路基礎(chǔ)之上，根據(jù)系統(tǒng)功能要求可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。好的軟件設(shè)計(jì)能夠充分發(fā)揮微控制器的運(yùn)算和邏輯控制功能，從而提高儀器的精度和使用的方便性。通過(guò)程序預(yù)置頻率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率步進(jìn)的控制，處理用戶由鍵盤(pán)鍵入的頻率值，判斷是否超出范圍，生成頻率控制字，經(jīng)并行方式送入DDS，合成用戶所需的頻率，并通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)頻率的顯示，程序流程圖如圖4.1所示。開(kāi)始單片機(jī)初始化AD9851初始化5110液晶初始化鍵盤(pán)

31、掃描無(wú)線模塊正弦波、三角波發(fā)生顯示及數(shù)據(jù)輸出結(jié)束圖4-1 總程序流程圖5 電路的總體電路圖及實(shí)物圖 5.1系統(tǒng)原理圖因?yàn)镈DS模塊是用模塊做的，所以原理圖用排陣代替。圖5.1系統(tǒng)原理圖5.2系統(tǒng)的PCB圖圖5.2 PCB圖5.3實(shí)物圖 圖5.3無(wú)線發(fā)射控制電路 圖5.4無(wú)線接收波形發(fā)生電路6 電路的調(diào)試及測(cè)試結(jié)果6.1正弦波測(cè)試的波形 測(cè)試過(guò)程 圖6.1測(cè)試為14kHZ頻率的正弦波 圖6.2測(cè)試為140kHZ頻率的正弦波 圖6.3測(cè)試為1.4MHZ頻率的正弦波 圖6.4測(cè)試為14MHZ頻率的正弦波分析：以上測(cè)試的是四種單頻信號(hào)，他們的頻率分別為14KHZ、140KHZ、1.4MHZ、14MHZ

32、的正弦波信號(hào)。根據(jù)上圖可以知道，在頻率較低的情況下，波形的頻率比較穩(wěn)定，其測(cè)試的電壓為1Vpp，而且波形沒(méi)有失真，我在查找AD9851資料了解到，它的波形輸出的頻率為0-70MHZ，但在實(shí)際測(cè)試的過(guò)程中，波形達(dá)到40MHZ,其波形就有很大失真了，由圖6.1.3可以知道14MHZ的正弦波，波形輸出不穩(wěn)定，而且頻率有一定的偏差，其原因是相位累加器速率不夠，導(dǎo)致波形失真，綜上，其結(jié)果達(dá)到了基本的頻率的正弦波的輸出。6.2方波測(cè)試的波形測(cè)試過(guò)程 圖6.5測(cè)試為14kHZ頻率的方波 圖6.6測(cè)試為140kHZ頻率的方波 圖6.7測(cè)試為1.4MHZ頻率的方波 圖6.8測(cè)試為14MHZ頻率的方波分析：以上測(cè)

33、試的是四種單頻信號(hào)，他們的頻率分別為14KHZ、140KHZ、1.4MHZ、14MHZ的方波信號(hào)，他們的峰峰值基本4V左右，通過(guò)調(diào)節(jié)電路板上面的滑動(dòng)變阻器，我將方波信號(hào)的占空比調(diào)到了百分之五十，這樣很方便觀察DDS輸出的波形，由上面的幾個(gè)圖可以知道，當(dāng)頻率增大時(shí)，波形發(fā)生了明顯的失真，方波的上升沿和下降沿變得平緩，沒(méi)有低頻信號(hào)的那么陡峭，綜上，其結(jié)果達(dá)到了基本的頻率的方波的輸出。6.3軟件的調(diào)試矩陣鍵盤(pán)掃描不斷循環(huán)當(dāng)按下鍵值正弦波、方波輸出5110液晶顯示鍵值組合的頻率值結(jié)束圖6.9矩陣的掃描由上面的流程圖可以知道，通過(guò)矩陣鍵盤(pán)的掃描，可以輸入0-70MHZ內(nèi)任意的頻率，通過(guò)5110液晶屏顯示

34、當(dāng)前的頻率值，輸出對(duì)應(yīng)的波形，方波與正弦波的輸出和顯示是一個(gè)原理，當(dāng)按下一個(gè)鍵的時(shí)候，可以把頻率值清零，不輸出波形。7 總結(jié) 本次單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，我用了兩個(gè)星期，在第一個(gè)星期我查閱關(guān)于DDS信號(hào)源的資料和學(xué)習(xí)一些單片機(jī)的基礎(chǔ)，第二個(gè)星期我做板并調(diào)試程序，這兩星期可以說(shuō)是充實(shí)，緊張而又愉快的。在這兩個(gè)星期的實(shí)訓(xùn)中，我學(xué)到了很多東西，不管是在知識(shí)架構(gòu)上，還是在動(dòng)手動(dòng)腦能力上都起著潛移默化的影響。剛開(kāi)始做DDS信號(hào)發(fā)生器，腦袋里面沒(méi)有一點(diǎn)頭緒，通過(guò)幾天的查閱資料和班里面的同學(xué)交流，了解到了直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesize，DDS）是一種重要的頻率合成技術(shù)，這也是我本次

35、實(shí)訓(xùn)的芯片AD9851里面的一項(xiàng)重要的技術(shù)，AD9851內(nèi)部的有相位累加器、相位寄存器、正弦查詢表、DAC轉(zhuǎn)換器，DAC把數(shù)字波形轉(zhuǎn)化為模擬的波形，再通過(guò)內(nèi)部低通濾波器，可輸出正弦波,它的內(nèi)部有一個(gè)高速比較器，可以輸出方波,通過(guò)調(diào)節(jié)一個(gè)滑動(dòng)變阻器，改變方波的占空比。硬件做出來(lái)后，調(diào)試軟件遇到了不少的問(wèn)題，剛開(kāi)始把5110液晶屏點(diǎn)亮，費(fèi)了一段時(shí)間，通過(guò)查找網(wǎng)上一些關(guān)于5110液晶屏的驅(qū)動(dòng)和參考別人的一些程序，終于可以在屏幕上隨意讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，并且可以顯示漢字。關(guān)于AD9851的程序，我也是上網(wǎng)找了一堆資料，其實(shí)它的驅(qū)動(dòng)程序有點(diǎn)難寫(xiě)，但我們參考別人的程序，對(duì)照時(shí)序圖，可以很快寫(xiě)好AD9851的驅(qū)動(dòng)程序

36、，通過(guò)調(diào)用里面的子函數(shù)，達(dá)到輸出對(duì)應(yīng)的頻率。關(guān)于矩陣鍵盤(pán)的程序，按鍵掃描是單片機(jī)的一個(gè)基本的知識(shí)，不過(guò)矩陣鍵盤(pán)掃描比較困難，它是8個(gè)IO口控制16個(gè)鍵盤(pán)，在觀看郭天祥的十天學(xué)會(huì)單片機(jī)后，對(duì)矩陣有了一定了解，最后能運(yùn)用矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率設(shè)置的功能。這次實(shí)訓(xùn)不僅鞏固了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，鍛煉自己動(dòng)手制作能力，更是讓我深刻認(rèn)識(shí)到我對(duì)理論知識(shí)所學(xué)欠缺，理論知識(shí)的重要性，這些我會(huì)在以后得學(xué)習(xí)總補(bǔ)習(xí)回來(lái)，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，更好的提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。謝 辭首先，感謝為我們安排了這次單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)。非常感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)和老師給我們提供硬件條件和在理論知識(shí)方面的幫助。還要感謝老師的授課和實(shí)訓(xùn)操

37、作指導(dǎo)，在任務(wù)開(kāi)始前，老師首先就全面的為我們講注意事項(xiàng)，讓我們?cè)趯?shí)訓(xùn)過(guò)程中少犯了不少錯(cuò)，節(jié)約了寶貴的時(shí)間。特別感謝老師，是她在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過(guò)程中對(duì)我們嚴(yán)格要求，耐心指導(dǎo)，反復(fù)為我們講解要點(diǎn)，給與我們極大的幫助以及鼓勵(lì)，使得我最終完成實(shí)訓(xùn)。參考文獻(xiàn) 1 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程 電子工業(yè)出版社 20082 劉偉. 基于AD9851芯片的信號(hào)發(fā)生器的研究. 蘇州大學(xué)出版社，2002.44 孫育才. MCS-51系列單片機(jī)及應(yīng)用（第4版）東南大學(xué)出版社，20045 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第5版）.清華大學(xué)出版社，20056 譚浩強(qiáng). C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（第3版）.清華大學(xué)出版社，20057 鄭學(xué)堅(jiān)、

38、周斌. 微型計(jì)算機(jī)的原理及應(yīng)用. 清華大學(xué)出版社，20028 胡偉、季曉衡單片機(jī)c程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例北京人民郵電出版社2003附 錄部分程序如下：#include #include #include#include NRF24L01.H#include#include sbit d1=P35;#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulint unsigned long int#define lint long intuchar *table=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;lint f1=0;uchar key,temp;char a=0;void