基于DDS的信號發(fā)生器設(shè)計說明

1、 PAGE25 / NUMPAGES28 目 錄摘要Abstract TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293775575第1章前言 PAGEREF _Toc293775575 h 1HYPERLINK l _Toc293775576第2章直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的概述 PAGEREF _Toc293775576 h 2HYPERLINK l _Toc2937755772.1 DDS的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc293775577 h 2HYPERLINK l _Toc2937755782.2 DDS的基本原理 PAGEREF _Toc293775578

2、 h 2HYPERLINK l _Toc2937755792.3 DDS的性能特點 PAGEREF _Toc293775579 h 3HYPERLINK l _Toc2937755802.4 DDS的應(yīng)用 PAGEREF _Toc293775580 h 3HYPERLINK l _Toc293775581第3章設(shè)計方案論證與分析 PAGEREF _Toc293775581 h 3HYPERLINK l _Toc2937755823.1 信號模塊 PAGEREF _Toc293775582 h 3HYPERLINK l _Toc2937755833.2控制模塊 PAGEREF _Toc29377

3、5583 h 3HYPERLINK l _Toc2937755843.3 顯示模塊 PAGEREF _Toc293775584 h 3HYPERLINK l _Toc2937755853.4 鍵盤輸入模塊 PAGEREF _Toc293775585 h 3HYPERLINK l _Toc2937755863.5 系統(tǒng)各模塊的最終方案 PAGEREF _Toc293775586 h 3HYPERLINK l _Toc293775587第4章系統(tǒng)總體設(shè)計 PAGEREF _Toc293775587 h 3HYPERLINK l _Toc2937755884.1 系統(tǒng)設(shè)計原理 PAGEREF _To

4、c293775588 h 3HYPERLINK l _Toc2937755904.2單片機控制模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc293775590 h 3HYPERLINK l _Toc2937755914.2.1 AT89S52的概述 PAGEREF _Toc293775591 h 3HYPERLINK l _Toc2937755934.2.2單片機最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc293775593 h 3HYPERLINK l _Toc2937755944.3 DDS信號產(chǎn)生模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc293775594 h 3HYPERLINK l _Toc2937755954.

5、3.1 AD9850芯片簡介 PAGEREF _Toc293775595 h 3HYPERLINK l _Toc2937755964.3.2 AD9850的控制字與控制時序 PAGEREF _Toc293775596 h 3HYPERLINK l _Toc2937755974.33 AD9850與單片機的接口 PAGEREF _Toc293775597 h 3HYPERLINK l _Toc2937755984.4鍵盤模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc293775598 h 3HYPERLINK l _Toc2937755994.4.1 矩陣式鍵盤的概要 PAGEREF _Toc2937755

6、99 h 3HYPERLINK l _Toc2937756004.4.2 矩陣式鍵盤的編碼 PAGEREF _Toc293775600 h 3HYPERLINK l _Toc2937756014.4.3 矩陣式鍵盤電路圖 PAGEREF _Toc293775601 h 3HYPERLINK l _Toc2937756024.5液晶顯示模塊設(shè)計 PAGEREF _Toc293775602 h 3HYPERLINK l _Toc2937756044.5.1 LCD1602的主要性能 PAGEREF _Toc293775604 h 3HYPERLINK l _Toc2937756054.5.2液晶顯

7、示器LCD與單片機連接 PAGEREF _Toc293775605 h 3HYPERLINK l _Toc2937756064.6低通濾波器電路設(shè)計 PAGEREF _Toc293775606 h 3HYPERLINK l _Toc293775607第5章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc293775607 h 3HYPERLINK l _Toc2937756085.1軟件設(shè)計主流程圖 PAGEREF _Toc293775608 h 3HYPERLINK l _Toc2937756095.2 AD9850子程序流程圖 PAGEREF _Toc293775609 h 3HYPERLINK

8、l _Toc2937756135.3 掃描子程序 PAGEREF _Toc293775613 h 3HYPERLINK l _Toc2937756145.4 LCD顯示的流程圖 PAGEREF _Toc293775614 h 3HYPERLINK l _Toc293775615第6章結(jié)束語 PAGEREF _Toc293775615 h 3HYPERLINK l _Toc293775616答辭 PAGEREF _Toc293775616 h 3HYPERLINK l _Toc293775617參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc293775617 h 3摘 要隨著數(shù)字集成電路、微電子技術(shù)和EDA

9、技術(shù)的深入研究，DDS技術(shù)以其有別于其它頻率合成技術(shù)的優(yōu)越性能和特點，成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。它是將先進(jìn)的數(shù)字信號處理理論與方法引入到信號合成領(lǐng)域的一項新技術(shù)，它的出現(xiàn)為進(jìn)一步提高信號的頻率穩(wěn)定度提供了新的解決方法。同時，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是單片機技術(shù)的發(fā)展，智能儀器也有了新的進(jìn)展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不斷提高直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)的出現(xiàn),導(dǎo)致了頻率合成領(lǐng)域的一次重大革命。根據(jù)題目要求，我們以單片機AT89S52芯片和AD9850芯片為核心，輔以必要的模擬電路，設(shè)計一臺信號發(fā)生器，使之能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波。該系統(tǒng)頻率、幅值均可調(diào)節(jié)，相比傳統(tǒng)信號發(fā)生

10、器的性能，具有頻帶寬、頻率穩(wěn)定、波形良好、接口簡單、編程方便、成本低、易小型化等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器；單片機； 直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)AbstractAs digital integrated circuits, microelectronic technology and EDA technology in-depth study, DDS technology is different from other frequency synthesis technology for its superior performance features .It becomes a better

11、modern frequency synthesis technology in the crowd.It is a new technology of bringing the advanced digital signal processing theory and methods to the field of signal synthesis. Its appearance provides a new solution to further improve the frequency stability of the signal. Meantime, with the rapid

12、development of microelectronics technology, particularly the development of microcomputer technology, intelligent instrument also made new progress, and more complete features, more reliable performance, with the intelligent degree increasing the appearance of direct digital frequency synthesis whic

13、h led to the emergence of a major revolution of Synthesis in the field. Under the title, we use AT89S52 microcontroller chip and AD9850 chip as the core, supplemented by the essential analog circuits, designing a signal generator, so that it can produce sine, square and triangular wave. The systems

14、frequency and amplitude can be adjusted, compared by the performance of the traditional signal generator, with a frequency bandwidth, a stable frequency, wave good, simple interface, programming easily, low cost, easy miniaturization.Keywords: signal generator;microcontroller chip; Direct Digital Sy

15、nthesis 第1章 前 言在電子技術(shù)領(lǐng)域中，經(jīng)常要用一些信號作為測量基準(zhǔn)信號或輸入信號，也就是所謂的信號源。信號源有很多種，包括正弦波信號源、函數(shù)信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形信號發(fā)生器、合成信號源等。作為電子系統(tǒng)必不可少的組成部分的信號源，在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因而常稱之為電子系統(tǒng)的“心臟”。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對信號源的要求越來越高，要求其輸出頻率高達(dá)微波頻段甚至更高，頻率圍從零Hz到幾GHz頻率分辨率達(dá)到MHz甚至更小，相應(yīng)頻點數(shù)更多,頻率轉(zhuǎn)換時間達(dá)到ns級，頻譜純度越來越高。同時，對于頻率合成器的功耗、體積、重量等也有更高的要求。傳統(tǒng)的信號源采用振蕩器，只

16、能產(chǎn)生少數(shù)幾種波形，自動化程度較低，且儀器體積大、靈活性與準(zhǔn)確度差。而現(xiàn)在要求信號源能產(chǎn)生波形的種類多、頻率高，還要體積小、可靠性高、操作靈活、使用方便與可由計算機控制。所以要實現(xiàn)高性能的信號源，必須在技術(shù)手段上有新的突破。當(dāng)今高性能的信號源均通過頻率合成技術(shù)來實現(xiàn)，隨著計算機、數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，頻率合成技術(shù)有了新的突破,直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct DigitalSynthesis ,DDS)，它是將先進(jìn)的數(shù)字信號處理理論與方法引入到信號合成領(lǐng)域的一項新技術(shù)，它的出現(xiàn)為進(jìn)一步提高信號的頻率穩(wěn)定度提供了新的解決方法。同時，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是單片機技術(shù)的發(fā)展，智

17、能儀器也有了新的進(jìn)展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不斷提高,直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)導(dǎo)致了頻率合成領(lǐng)域的一次重大革命。直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS）問世之初，構(gòu)成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲這兩個主要缺點阻礙了DDS的發(fā)展與實際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以與對DDS的深入研究，DDS的最高工作頻率與噪聲性能已接近鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃健ｋS著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成器得到了飛速的發(fā)展，它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對帶寬

18、、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號與其他多種調(diào)制信號、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價比?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測、電子對抗以與現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。第2章 直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的概述2.1 DDS的基本結(jié)構(gòu)DDS包括數(shù)字器件與模擬器件兩部分，主要由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成，其基本框圖如圖2-1所示。圖2-1 DDS組成框圖其中參考時鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由N位加法器與N位相位寄存器構(gòu)成，類似于一個簡

19、單的計算器。每來一個時間脈沖，相位寄存器的輸出就增加一個步長的相位增量值，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進(jìn)入線性相位累加，累加至滿量程時產(chǎn)生一次計數(shù)溢出，這個溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器(PROM)，存儲的是以相位為地址的一個周期正弦信號的采樣編碼值，包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)于正弦波中0360圍的一個相位點。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加，得到的數(shù)據(jù)作為一個地址對正弦查詢表進(jìn)行尋址，查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動DAC，輸出模擬信號。低通濾

20、波器平滑并濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。2.2 DDS的基本原理以產(chǎn)生正弦信號的DDS技術(shù)來闡述DDS的基本原理。一個正弦信號可以由振幅、頻率與初始相位惟一確定。正弦信號S(t)的表達(dá)式為： S(t)=Acos(2ft+0)在用數(shù)字合成方式合成一個正弦信號時，只要產(chǎn)生相應(yīng)的振幅A、頻率f與初始相位0即可，實際應(yīng)用中與初始相位0無關(guān)，振幅更是容易控制。為更好地分析起見，這里設(shè)振幅A為1、初始相位0為0。則正弦信號S(t)可表示為： S(t)=cos(2ft)令（t）=2ft，則S(t)=cos（t），那么只要確定了（t）就確定了S(t)。由（t）的表達(dá)式（t）=2ft，可知

21、不同頻率在一樣時間T的相位增量是不同的，且它們是一一對應(yīng)的關(guān)系。因此推導(dǎo)出下面公式： f=/2T這一公式放映出在相位-時間平面構(gòu)造中對應(yīng)于時間間隔T的均勻相位增量時等效為在幅度-時間平面合成頻率f=/2T的正弦波，這正是DDS技術(shù)的基本理論。對于計數(shù)容量為2N相位累加器和具有M個相位取樣點的正弦波波形存儲器，若頻率控制字為K，輸出信號頻率為f0，參考時鐘頻率為fc，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為f0=（kfc）/2N輸出信號頻率的頻率分辨率為fmin=fc/2N由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為fmax =fc/2頻率控制字可由以上公式推出：k= f02N/ fc通常，相位累加器位數(shù)

22、較大，例如N=32或48，故用DDS技術(shù)能得到較高的頻率分辨率。2.3 DDS的性能特點DDS完全不同于傳統(tǒng)的頻率合成方式，它是一種全數(shù)字結(jié)構(gòu)形式。它的特點主要有以下幾點：（1）DDS可以產(chǎn)生極高的頻率DDS工作在300MHz的時鐘下，根據(jù)采樣定理，DDS的最高輸出頻率應(yīng)小于采樣時鐘頻率的1/2，在實際應(yīng)用中，考慮到低通濾波器的非線性影響，因此，一般能達(dá)到fc的40，頻率很高，完全能滿足設(shè)計要求中的高頻率要求。（2）DDS具有極高的頻率分辨率DDS最主要的特點之一，就是它可以實現(xiàn)極高的頻率分辨率。由公式f0 =（k fc）/2N可推導(dǎo)出DDS的分辨率決定于相位累加器的字長和參考時鐘頻率，只要相

23、位累加器的字長足夠長，DDS的分辨率可以達(dá)到足夠高。例如：時鐘頻率為100MHz、相位累加器字長為32比特時，最小頻率分辨率為： 108/232=0.02328Hz當(dāng)時鐘頻率為100MHz、相位累加器字長為48比特時，最小頻率分辨率為： 108/248=0.0000003553Hz這樣的頻率分辨率是傳統(tǒng)的頻率合成方法絕不可能達(dá)到的，完全能滿足設(shè)計要求中高精度的分辨率。（3）DDS具有極短的頻率轉(zhuǎn)換時間DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時間主要由LPF附加的時延來決定。如fc10MHz，轉(zhuǎn)換時間即為100 ns，若時鐘頻率升高，轉(zhuǎn)換時間將縮短，但不可能少于數(shù)字門電路的延遲時間。目前，

24、DDS的調(diào)諧時間一般在ns量級，比使用其它的頻率合成方式都要短幾個數(shù)量級。（4）輸出頻率的相對帶寬很寬當(dāng)頻率控制字K=0時，輸出頻率f0=0Hz，即DDS的輸出下限頻率為0。根據(jù)奈奎斯特定理，理論上DDS輸出的上限頻率為fc/2，fc是參考時鐘頻率，即采樣頻率。但由于外接低通濾波器的非理想性，實際工程中，DDS的輸出頻率的上限一般為： f0max0.4fc 完全能滿足設(shè)計中帶寬要求。（5）DDS具有相位連續(xù)性變化DDS工作時，改變頻率控制字K，就可以改變它的輸出頻率，但從其工作原理來看，改變K的實質(zhì)是改變了信號的相位增長速率，而輸出信號的相位是連續(xù)的。（6）易于集成，易于調(diào)整DDS中幾乎所有的

25、部件都屬于數(shù)字信號處理器件，除DAC和濾波器外，無需任何調(diào)整，從而降低了成本，簡化了生產(chǎn)設(shè)備。2.4 DDS的應(yīng)用DDS問世之初，構(gòu)成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲，這兩個主要缺點阻礙了DDS的發(fā)展與實際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以與對DDS的深入研究，DDS的最高工作頻率以與噪聲性能已接近并達(dá)到鎖相頻率合成器相當(dāng)?shù)乃?。隨著這種頻率合成技術(shù)的發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測、電子對抗以與現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。（1）實時模擬仿真的高精密信號在DDS的波形存儲器中存入正弦波形與方波、三角波、鋸齒波等大量非正弦波形數(shù)據(jù)，然后通過手控或用計算機編程對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行

26、控制，就可以任意改變輸出信號的波形。利用DDS具有的快速頻率轉(zhuǎn)換、連續(xù)相位變換、精確的細(xì)調(diào)步進(jìn)的特點，將其與簡單電路相結(jié)合就構(gòu)成精確模擬仿真各種信號的最佳方式和手段。這是其它頻率合成方法不能與之相比的。例如它可以模擬各種各樣的神經(jīng)脈沖之類的波形，重現(xiàn)由數(shù)字存儲示波器（DSO）捕獲的波形。（2）實現(xiàn)各種復(fù)雜方式的信號調(diào)制DDS也是一種理想的調(diào)制器，因為合成信號的三個參量：頻率、相位和幅度均可由數(shù)字信號精確控制，因此DDS可以通過預(yù)置相位累加器的初始值來精確地控制合成信號的相位，從而達(dá)到調(diào)制的目的?，F(xiàn)代通信技術(shù)中調(diào)制方式越來越多，BPSK，QPSK，MSK都需要對載波進(jìn)行精確的相位控制。而DDS的

27、合成信號的相位精度由相位累加器的位數(shù)決定。一個32位的相位累加器可產(chǎn)生43億個離散的相位電平，而相位精度可控制在810-3度的圍，因此，在轉(zhuǎn)換頻率時，只要通過預(yù)置相位累加器的初始值，即可精確地控制合成信號的相位，很容易實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。（3）實現(xiàn)頻率精調(diào)，作為理想的頻率源DDS能有效地實現(xiàn)頻率精調(diào)，它可以在許多鎖相環(huán)（PLL）設(shè)計中代替多重環(huán)路。在一個PLL中保持適當(dāng)?shù)姆诸l比關(guān)系，可以將DDS的高頻率分辨率與快速轉(zhuǎn)換時間特性與鎖相環(huán)路的輸出頻率高、寄生噪聲和雜波低的特點有機地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)更為理想的DDSPLL混合式頻率合成技術(shù)。（4）輸出波形的靈活性只要在DDS部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控

28、制FM、調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM，即可以方便靈活地實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生FSK、PSK、ASK和MSK等信號。另外，只要在DDS的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當(dāng)DDS的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時，既可得到正交的兩路輸出。 (5）其他優(yōu)點由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價比極高。 第3章 設(shè)計方案論證與分析3.1 信號模塊方案一：采用專用信號發(fā)生器。MAX038是美信公司的低失真單片機信號發(fā)生器集成電路，部電路完善。使用該芯片，

29、設(shè)計簡單，可以生成同一頻率信號的各種波形信號，但頻率精確度和穩(wěn)定度都難以達(dá)到要求。方案二：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成。利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器完成對頻率的算術(shù)運算。由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。方案三：采用鎖相環(huán)間接頻率合成(PPL)。雖然具有工作頻率高、寬帶、頻譜質(zhì)量好的優(yōu)點，但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉(zhuǎn)換時間較長。另外，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)(如幅度、頻率和相位等)都很難控制，不易實現(xiàn)。方案四：采用直接數(shù)字合成（Direct D

30、igital Frequency Synthesizer,簡稱DDS）。用隨機讀/寫存儲器RAM存儲所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字K為步進(jìn)對相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存在存儲器的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得所需波形。由于DDS具有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時間極短(可小于20微妙)，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成以與輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控，因此，可以完全滿足本題目的要求。DDS技術(shù)頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號純度高、相位可控、輸出信號無電流脈沖疊加、輸出可平穩(wěn)過渡且相位可保持連續(xù)變化。方案論證：從題目要求來看，上述前

31、三種方案都可以滿足題目合成頻率圍的要求，但信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度、精確度都不如DDS合成的頻率；另一方面，DDS比信號發(fā)生器更容易精確控制，所以我們選擇DDS方案進(jìn)行頻率合成。3.2控制模塊方案一：采用51芯片AT89C51作為主控制臺，通過行列式鍵盤直接接入51芯片并使用液晶顯示器控制輸入頻率與幅度。采用XR-2206信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生三個頻率完全一樣的信號，為正弦波、方波和三角波。其中方波信號被送至分頻電路分頻?？梢赃_(dá)到題目所要求的10Hz1MHz的圍，但精確度會隨著頻率的增大而難以控制，失真度也會隨之增大。當(dāng)改變幅度時，很難達(dá)到題目所要求的圍。方案二：采用89C2051開發(fā)制造產(chǎn)品

32、,因為2051看起來體積比較小,功能也較全面.但是2051不是標(biāo)準(zhǔn)的51核，所以89C2051的程序不能直接移植到51上。由于2051是精簡型，所以P口變得很少，這樣一來可利用資源比較緊，只能做一些簡單的產(chǎn)品。因此，對于本設(shè)計來說是不想適應(yīng)的。方案三：采用SST系列單片機，SST單片機是在AT89C系列單片機的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，如AT89S52芯片，其提高了工作頻率，可采用串口進(jìn)行在線編程調(diào)試，增加了存的容量和PAC可編程計數(shù)器等功能。綜合上述,根據(jù)我們題目的要求，最終采用AT89S52作為主控制芯片。3.3 顯示模塊方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。雖然功率低，控制簡單，但卻只能顯示數(shù)字和一些簡

33、單的字符，沒有較好的人機界面。方案二：采用1602液晶顯示，此液晶可每行顯示16個字符，一共可顯示兩行。1602液晶的工作電流比LED小幾個數(shù)量級，厚度約為LED的1/3 ，外圍電路簡單；液晶體積小、功耗低、顯示操作簡單、字跡清晰、壽命長，編程容易，而且占用單片機資源少，比數(shù)碼管方便的多。比較上述兩種方案，采用方案二。3.4 鍵盤輸入模塊方案一：采用傳統(tǒng)的獨立式按鍵。這種方式占用系統(tǒng)的資源較多，而且效率低，程序的編寫量大而復(fù)雜。方案二：為了提高單片機的資源利用率，按鍵部分使用矩陣式鍵盤。這種方法在開關(guān)數(shù)量多的情況下可以節(jié)省很多的接口，并且提高系統(tǒng)接口的利用率。故：確定選擇采用方案二。3.5 系

34、統(tǒng)各模塊的最終方案經(jīng)過仔細(xì)的分析與論證，決定系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：信號模塊：采用AD9850產(chǎn)生正弦波信號；控制模塊：采用AT98S52控制；顯示模塊：采用LCD顯示；鍵盤輸入模塊：采用矩陣式鍵盤輸入波形的頻率；第4章 系統(tǒng)總體設(shè)計4.1 系統(tǒng)設(shè)計原理該信號發(fā)生器系統(tǒng)是以單片機AT89S52為控制器，以DDS芯片AD9850為核心，通過單片機控制功能芯片來實現(xiàn)頻率預(yù)置、控制字設(shè)置等產(chǎn)生相應(yīng)的信號輸出。AD9850實現(xiàn)信號發(fā)生器功能，微處理器控制DA轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)各種信號幅值的可調(diào)性。整個信號發(fā)生系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機控制電路、DDS信號產(chǎn)生電路、積分電路、濾波電路和鍵盤電路等5部分組成，

35、其系統(tǒng)框圖，如圖4-1所示。其中鍵盤采用44矩陣式，主要用以設(shè)置頻率和幅值；頻率采用LCDl602液晶顯示。圖4-1 系統(tǒng)框圖4.2單片機控制模塊設(shè)計主控電路中，以單片機為主體，通過分析鍵盤輸入的數(shù)字值，對AD9850寫入相應(yīng)的控制字。它是系統(tǒng)的大腦。單片機（Microcontroller，又稱微控制器）是在一塊硅片上集成了各種部件的微型計算機，這些部件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時器/計數(shù)器和各種I/O接口電路。4.2.1 AT89S52的概述AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS-8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用ATMEL 公

36、司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)89C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(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AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。4.2.2單片機最小系統(tǒng) 控制模塊選用AT89S52單片機，它有2個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，3個16位定時器/計數(shù)器，8個中斷源，32個可編程I/O口線；與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容,全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、11掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識符。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操

37、作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。如圖4-2所示：圖4-2單片機最小系統(tǒng)XTAL1是片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，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz-24MHz選擇。電容取30pF左右。AT89S52中有一個用于構(gòu)成部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2

38、分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。片外石英晶體或者瓷諧振器與電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序與溫度的穩(wěn)定性，這里采用電容30pF，晶振采用12MHz。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，單片機以其自身的特點，已廣泛應(yīng)用于智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、電子玩具等各個領(lǐng)域。4.3 DDS信號產(chǎn)生模塊設(shè)計4.3.1 AD9850芯片簡介AD9850是美國AD公司生產(chǎn)的高集成度DDS芯片，采用CMOS工藝

39、，其功耗在3.3 V供電時僅為155 mW，擴展工業(yè)級溫度圍為-4080，采用28引腳的SSOP表面封裝形式，AD9850的引腳排列如圖4-3所示,圖4-4為該芯片組成框圖，層虛線是一個完整的可編程DDS系統(tǒng)，外層虛線包含了AD9850的主要組成部分。AD9850含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。圖4-3 AD9850管腳排列圖圖4-4 AD9850芯片原理框圖AD9850分為可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)/模變換器（DAC）和高速比較器三部分，其中可編程DDS系統(tǒng)包含輸入寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和高速DDS三部分。高速DDS包括相位累加器和正弦查詢表，其中相位累加器由一個

40、N位加法器和一個32位相位寄存器組成，相位寄存器的輸出與一個5位的外部相位控制字相加后作為正弦查詢表的地址。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應(yīng)正弦波中0360圍的一個相位點。正弦查詢表輸出后驅(qū)動D/A轉(zhuǎn)換器，輸出兩個互補的電流，其幅度可通過外接電阻RESET來調(diào)節(jié)，輸出電流可由Iset=32(1.248V/Rset)來計算， Rset的典型值為3900歐姆。輸出信號經(jīng)過外部的一個低通濾波器后接到AD9850部自帶的高速比較器，即可產(chǎn)生一個與正弦波同頻率且抖動很少的方波。在125 MHz的系統(tǒng)時鐘下，AD9850中32位的頻率字輸入可使輸出信號的頻率分辨率達(dá)到0029 H

41、z，并具有5位的相位字輸入，允許相位按增量180，90，45，225，1125或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整。芯片對輸入的標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行直接數(shù)字合成。輸入信號頻率最高為fclk=125 MHz，可生成0fclk2圍的任意頻率的正弦波和方波。AD9850在接上時鐘電路之后，就可以產(chǎn)生一個頻率和幅值都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作信號發(fā)生器，或者經(jīng)過部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。4.3.2 AD9850的控制字與控制時序AD9850有40位控制字, 32位用于頻率控制,5位用于相位控制, 1位用于電源休眠(Powerdown)控制, 2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行

42、方式輸入到AD9850,圖4-5是控制字并行輸入的控制時序圖,在并行裝入方式中,通過8位總線D0D7可將數(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),同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器，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輸入寄存器,連續(xù)5個W-CLK上升沿后, W-CLK的邊沿就不再起作用,直到復(fù)位信號或FQ-UD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個寄存器。圖4-5 控制字并行輸入的時序圖圖4-6 控制字串行輸入的時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40位

43、后,用一個FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖4-6是相應(yīng)的控制字串行輸入的控制時序圖。AD9850的復(fù)位(RESET)信號為高電平有效,且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期。AD9850的參考時鐘頻率一般遠(yuǎn)高于單片機的時鐘頻率,因此AD9850的復(fù)位(RESET)端可與單片機的復(fù)位端直接相連。表4-1 AD9850串行裝載的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)位代號功能位代號功能位代號功能位代號功能W0Freq-b0(LSB)W10Freq-b10W20Freq-b20W30Freq-b30W1Freq-b1W11Freq-b11W21Freq-b21W31Freq-b31(MSB)W2Freq-b2W12Freq-b

44、12W22Freq-b22W32ControlW3Freq-b3W13Freq-b13W23Freq-b23W33ControlW4Freq-b4W14Freq-b14W24Freq-b24W34Power-DownW5Freq-b5W15Freq-b15W25Freq-b25W35Phase-b0(LSB)W6Freq-b6W16Freq-b16W26Freq-b26W36Phase-b 1W7Freq-b7W17Freq-b17W27Freq-b27W37Phase-b 2W8Freq-b8W18Freq-b18W28Freq-b28W38Phase-b 3W9Freq-b9W19Freq

45、-b19W29Freq-b29W39Phase-b4(MSB)在表4-1中，位W0W31的32位是頻率控制字，通過改變它的容就可以改變AD9850的輸出頻率。位W32和W33用于工廠測試，應(yīng)向這兩位賦0。位W34用來控制AD9850的上電和掉電，當(dāng)不需要輸出信號時，通過打這一位置1來實現(xiàn)掉電。位W35W39的5位是相位控制字，改變它的容可以改變AD9850的輸出相位。串行裝載時，AD9850的D7引腳和W_CLK引腳組成同步串行接口，這個接口可以直接與89S52相連接。40位控制/數(shù)據(jù)字通過AD9850的D7引腳在W_CLK引腳的脈沖信號上升邊沿作用下分40次裝入。W0在前，W39在后，依次裝

46、入。完成40位控制/數(shù)據(jù)字的裝載后，F(xiàn)Q_UD引腳的脈沖信號上升沿刷新AD9850的工作狀態(tài)，同時復(fù)位寄存器指針，準(zhǔn)備下一次位控制/數(shù)據(jù)字的裝入。4.3.3 AD9850與單片機的接口AD9850控制字的寫入方式有串行和并行兩種。并行寫入方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?，能夠提升整個系統(tǒng)的處理速度，但占用的單片機的IO口資源太多。與并行方式相比，串行寫入方式在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣壬弦?，但它更大的?yōu)點是能節(jié)省很多IO口資源。所以，本系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為控制核心，通過串行寫入控制字的方式控制AD9850芯片，加上鍵盤和LCD顯示部分等外圍電路，構(gòu)成整個系統(tǒng)電路。為了詳細(xì)介紹AD9850的用法

47、，這里重點給出本系統(tǒng)中AT89S52單片機與AD9850芯片連接電路，如圖4-7所示，其中R1=1k，R2=50，R3=25，單片機晶振選用12 MHz，電容采用30 pF經(jīng)典值。單片機采用12 MHz晶振時，它的高電平時間能夠滿足AD9850復(fù)位要求，故可將AD9850的復(fù)位端與單片機的復(fù)位端直接相連。圖4-7 AD9850 與單片機連接圖4.4鍵盤模塊設(shè)計鍵盤是由一組規(guī)則排列的按鍵組成的，一個按鍵實際上是一個開關(guān)元件，也就是說，鍵盤是一組規(guī)則排列的開關(guān)。鍵盤可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤，在單片機系統(tǒng)中，若按鍵較多，通常采用矩陣式（也稱行列式）鍵盤。4.4.1 矩陣式鍵盤的概要矩陣式鍵盤由行

48、線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，行線通過上拉電阻接到+5V。當(dāng)無按鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有按鍵按下時，行、列線將導(dǎo)通，此時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識別按鍵是否被按下的關(guān)鍵。然而，矩陣式鍵盤中行線、列線與多個鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，即各按鍵間將相互影響，因此必須將行線、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。4.4.2 矩陣式鍵盤的編碼對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，因此可分別對行號和列號進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后將兩值合成一個字節(jié)，高4位是行號，低4位是列號。以

49、44鍵盤為例，可將鍵號編碼為：01H、02H、03H、0EH、0FH、10H等16個鍵號。無論以何種方式編碼，均應(yīng)以處理問題方便為原則，而最基本的是鍵所處的物理位置即行號和列號，它是各種編碼之間相互轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)，編碼間的相互轉(zhuǎn)換可以通過計算或查表的方法實現(xiàn)。4.4.3 矩陣式鍵盤電路圖圖4-8 矩陣式鍵盤（44）控制電路通過鍵盤對波形的頻率進(jìn)行控制，其中S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31分別表示0-9個數(shù)字；S32，S33，S34分別表示正弦波，方波，三角波的切換鍵 ；S41表示恢復(fù)鍵，清除頻率設(shè)定值；S42表示確認(rèn)按鍵。4.5液晶顯示模塊設(shè)計液晶顯示器（LC

50、D）是一種功能極低的顯示器件，它廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品中，它不僅省電，而且能夠顯示大量的信息，如文字、曲線、圖線等，其顯示界面較之?dāng)?shù)碼管有了質(zhì)的提高。近年來液晶顯示技術(shù)發(fā)展很快，LCD顯示器已經(jīng)成為僅次于顯像管的第二大顯示產(chǎn)品。液晶顯示器全部使用軟件進(jìn)行靜態(tài)顯示，減少了外部鎖存器和譯碼模塊的需要，使電路簡單化。顯示采用液晶顯示器1602LCD顯示方式，顯示容有頻率、頻率的增減量,更形象地觀察頻率的變化值。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被

51、廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。4.5.1 LCD1602的主要性能1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調(diào)節(jié)和背光功能。1602型LCD的接口信號說明，如下表所示：表4-2 LCD1602接口說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2Data I/O2VDD電源正極10D3Data I/O3VL液晶顯示偏壓信號11D4Data I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5Data I/O5R/W讀寫選擇端（H/L）13D6Data I/O6EN使能信號1

52、4D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正極8D1Data I/O16BLK背光源負(fù)極4.5.2液晶顯示器LCD與單片機連接圖 4-9 顯示電路圖LCD顯示器主要是顯示鍵盤輸入的各個波形的頻率。在實際的接線中，1602的DB0DB7與89S52的P0口相接，RS與P1.3相接，R/W與P1.2相接，E與P1.1相接。VL與地之間接一個10K的滑動變阻器來到1602初始顯示的調(diào)節(jié)。4.6低通濾波器電路設(shè)計 一個理想的濾波器應(yīng)在要求的頻帶具有均勻而穩(wěn)定的增益,而在通帶以外則具有無窮大的衰減. 然而實際的濾波器距此有一定的差異,為此人們采用各種函數(shù)來逼近理想濾波器的頻率特性. 用

53、運算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器具有許多獨特的優(yōu)點。 因為不用電感元件,所以免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、損耗、體積和重量過大等缺點. 由于運算放大器的增益和輸入阻抗高,輸出阻抗低,所以能提供一定的信號增益和緩沖作用. 在DDS芯片的正弦信號輸出端增加一個二階RC有源低通濾波器，可以有效地抑制諧波和雜散。該濾波器的組成如圖4-10所示， 其中，R1、R2完成電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。圖 4-10 低通濾波電路第5章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1軟件設(shè)計主流程圖根據(jù)設(shè)計要求信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種周期性波形，DDS輸出信號經(jīng)過外部的一個低通濾波器后接到AD9850部自帶的高速

54、比較器，即可產(chǎn)生一個與正弦波同頻率且抖動很少的方波,再在產(chǎn)生正弦波的基礎(chǔ)上外接積分電路實現(xiàn)三角波的輸出。 圖5-1 系統(tǒng)主流程圖5.2 AD9850子程序流程圖AD9850進(jìn)入DDS子程序后，首先根據(jù) K =f0*232/fc ，單片機將預(yù)置頻率f0轉(zhuǎn)化為32位頻率控制字K公式中f0是DDS輸出的頻率，也是通過按鍵輸入頻率值。fc是AD9850的參考時鐘，取125MHz。系統(tǒng)根據(jù)時，通過8位數(shù)據(jù)總線D0-D7在W_CLK上升把30位控制字送入AD9850的數(shù)據(jù)輸入寄存器，重復(fù)5次之后在FQ_UD的上升沿將這40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入頻率/相位 數(shù)據(jù)寄存器，更新AD9850輸出的頻率和相位。子程序流程圖如圖5-2所示。圖5-2AD9850子程序流程圖5.3 掃描子程序因按鍵較多。本系統(tǒng)采用矩陣鍵盤，而矩陣鍵盤兩端都與單片機I/O口相連，因此在檢測時需人為通過單片機I/O口送出低電平。故檢