多用信号源的设计

毕业设计论文题目多用信号源的设计学院河南城建学院专业电气与信息工程学院姓名学号摘要信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，然而特殊波形发生器的价格十分昂贵。所以本设计使用的是AT89C52单片机控制AD9850芯片构成的信号发生器，可产生三角波、方波、正弦波等波形，波形的频率可用程序控制改变。在单片机上加外围器件独立按键，通过按键控制波形频率的增减，并在LCD1602显示频率大小。波形频率的调节范围为0HZ20MHZ。利用运算放大器进行波形调整，最后，通过ADC0809采集输出信号进行幅度显示。本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。在介绍AD9850芯片特性的基础上,论述了采用AD9850芯片设计数字函数信号发生器的原理以及整机的结构设计。对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率、幅度数字显示的实现作了较详细的论述。该函数信号发生器可输出三角波,方波和正弦波等。关键词信号发生器，单片机，AD9850，LCD1602，ADC0809ABSTRACTSIGNALGENERATORISAKINDOFSIGNALSOURCEINCOMMONUSE,BROADLYAPPLIEDATTHEELECTRONICSELECTRICCIRCUIT,AUTOCONTROLSYSTEMANDTEACHINGEXPERIMENTETCCURRENTLYUSEDMOSTLYFUNCTIONSIGNALGENERATORSIGNALGENERATOR,WAVEFORMGENERATORANDASPECIALPRICEOFEXPENSIVESOTHEDISSERTATIONISUSAGEOFTHEAT89C52SINGLECHIPMICROCOMPUTERANDAD9850CHIPCONSTITUTEOFWAVEFORMFREQUENCY,WHICHCANGENERATETRIANGLEWAVE,SQUAREWAVE,SINEWAVEETCVARIETYWAVEFORM,THEPERIODOFWAVECANBECONTROLLEDBYPROCEDURE,ATOUTERCIRCLESPAREPARTOFTHEMACHINE,PLUSINDEPENDENCETYPEKEYBOARD,WHICHCANCONTROLWAVEINCREASEORDECREASEOFFORMFREQUENCY,ATTHESAMETIMELCD1602DISPLAYFREQUENCYSIZEWAVEFORMFREQUENCYADJUSTMENTRANGEIS0HZ20MHZTHROUGHOPERATIONAMPLIFIERTOPUTANENDEXPORTATIONWAVEFORMFINALLY,ADC0809COLLECTEDOUTPUTSIGNALFORTHEAMPLITUDEDISPLAYTHISDESIGNHASADVANTAGEOFSIMPLECIRCUIT,TIGHTLYPACKEDSTRUCTURE,CHEAPPRICE,SUPERIORFUNCTIONETCBASEDONTHEINTRODUCTIONOFAD9850,ITDISCUSSEDTHEPRINCIPLEANDTHEWHOLEFRAMEOFTHEDIGITALFUNCTIONSIGNALGENERATORITDESCRIBEDTHECONTROLOFTHEOSCILLATORYFREQUENT,AMPLITUDEANDTHEDIGITALDISPLAYINDETAILTHEGENERATORCANOUTPUTDIFFERENTKINDSOFWAVESSINEWAVE,SQUAREWAVE,TRIANGLEWAVEETCKEYWORDSSIGNALGENERATOR,MCU,AD9850,LCD1602,ADC0809目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题背景、目的及意义112设计任务和要求2121主要内容2122基本要求22方案研究321系统方案分析3211方案一3212方案二3213方案三3214方案四43DDS技术的基本原理531DDS结构5311频率预置与调节电路6312累加器6313控制相位的加法器6314波形存储器7315D/A转换器7316低通滤波器732DDS数学原理74系统总体设计1041系统设计原理1042总体设计框图105系统硬件组成1151系统硬件构成思路1152单片机控制模块11521AT89C52主要性能11522AT89C52功能特性描述11523时钟电路14524复位电路1453AD9850与单片机连接模块15531AD9850简介15532AD9850的控制字与控制时序17533单片机与AD9850的接口1954A/D转换模块20541A/D转换器简介20542逐次逼近型A/D转换器原理21543ADC0809功能特性描述2155LCD显示模块23551LCD1602的主要性能23552LCD1602与单机的连接2556LED显示模块25561LED基本结构25562LED显示器的选择2557键盘控制模块2658滤波电路设计266软件设计与调试2861程序流程图28611ADC0809数据采集29612LCD的显示29613键盘扫描流程图3062软件调试31结论32参考文献33致谢34附录A系统原理图35附录B系统程序38附录C实验效果471绪论11课题背景、目的及意义在电子技术领域中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输入信号，也就是所谓的信号源。信号源有很多种，包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。作为电子系统组成部分必不可少的的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。随着电子技术的发展，对信号源的要求越来越高，要求其输出频率高达微波频段甚至更高，频率范围从零HZ到几GHZ频率分辨率达到MHZ甚至更小，相应频点数更多频率转换时间达到NS级频谱纯度越来越高。同时，对频率合成器功耗、体积、重量等也有更高的要求。而传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大、灵活性与准确度差。而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高，而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。所以要实现高性能的信号源，必须在技术手段上有新的突破。当今高性能的信号源均通过频率合成技术来实现，随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展，频率合成技术有了新的突破,直接数字频率合成技术DIRECTDIGITALSYNTHESISDDS，它是将先进的数字信号处理理论与方法引入到信号合成领域的一项新技术，它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。同时，随着微电子技术的迅速发展，尤其是单片机技术的发展，智能仪器也有了新的进展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不断提高直接数字式频率合成技术的出现导致了频率合成领域的一次重大革命。直接数字频率合成器问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器得到了飞速的发展，它以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。信号发生器是一种常用的信号源,广泛应用于电子测量、自动控制和工程设计等领域。随着电子技术的发展,对信号源频率的稳定度、准确度以及频谱纯度的要求越来越高。DDS直接数字合成技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术,与传统的模拟式波形产生法相比,它具有相位变换连续、频率转换速度快、分辨率高、稳定度高、相位噪声小、便于集成、易于调整及控制灵活等多种优点。基于DDS技术的信号发生器是一类新型信号源,它已成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。12设计任务和要求121主要内容1多用信号源可以产生正弦波、三角波、方波等多种波形。2波形的频率、幅值均为连续可调。3可实现波形的频率及幅值的数字显示。122基本要求画出总体框图、流程图,写出重要的控制程序，采用相关软件对有关程序进行仿真测试。绘制电原理图，完成论文的编写。2方案研究21系统方案分析信号发生器的种类多种多样，其制作方法也各不相同。通过对本次毕业设计任务书的分析，以及所要实现的要求。我们做出了如下的几种常用的方案，并对其进行了详细的对比和理论分析。最终，选择出了最佳的系统实现方案。211方案一用分立元器件组成的函数发生器。分立器件是相对于集成芯片而言的。随着科学技术的不断发展，人们渐渐步入电子时代，分立器件也被广泛应用到消费电子、计算机及外设、网络通信、汽车电子、LED显示屏等领域。它包括半导体二极管、半导体三极管、电容、电阻、逻辑器件、传感器、敏感器件以及装好的压电晶体类半导体器件等。用分立器件组成的函数信号发生器通常组成简单、成本较低。但是由于元器件的分散性及环境条件的改变等因素，致使波形频率产生偏差，它通常是单函数发生器且频率不高，其工作不稳定，不易调试。212方案二用晶体管、运放IC（INTEGRATEDCIRCUIT）等通用器件制作的函数信号发生器。函数信号发生器可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300KHZ，无法产生更高的频率信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。由于用通用器件制作的函数信号发生器同样具有频率不高的缺点，因此，在本论文设计中，此种方案也不宜采用。213方案三采用DAC0832通过查表的方式输出需要的波形，通过单片机向DAC0832转换器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出。这种方法能够实现各种需要的波形的输出，成本也不高，但是DAC0832在高频信号转换时转换速率达不到，很难制作高频率的信号发生器。其转换精度不高，达不到高精度的信号发生器的要求，在扩展外设的时候浪费了大量的接口，对以后的系统扩展可能会造成影响。214方案四利用专用直接数字合成DDS芯片制作的函数信号发生器。DDS有如下优点（1）频率分辨率高，输出频点多，可达多个频点（N为相位累加器位数）；2频率切换速度快，可达US量级；（3）频率切换时相位连续；（4）可以输出宽带正交信号；（5）输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；（6）全数字化实现便于集成，体积小，重量轻。DDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百兆赫兹不等。DDS有上述诸多优点，而且利用直接数字合成DDS芯片实现的函数信号发生器能够产生任意波形并达到很高的频率，克服了方案一、方案二、方案三的多数缺点，故本设计采用方案四。3DDS技术的基本原理31DDS结构1971年，美国学者JTIERNEY等人撰写的“ADIGITALFREQUENCYSYNTHESIZER”一文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新组成原理。限于当时的技术和器件原因，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故没受到重视。近几年间，随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器（DIRECTDIGITALFREQUENCYSYNTHESIS简称DDS或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。DDS是直接数字式频率合成器（DIRECTDIGITALSYNTHESIZER）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。直接数字频率合成器（DIRECTDIGITALSYNTHESIZER）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D/A转换器和低通滤波器（LPF）构成。DDS的原理框图如下所示图31DDS原理框图其中K为频率控制字、P为相位控制字、W为波形控制字、FC为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D/A转换器的字长。相位累加器在时钟FC的控制下以步长K作累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形累加器加法器加法器ROMD/ALPF参考频率FCN位N位SNST频率控制字K相位控制字P波形控制字WD位控制字W相加后作为波形ROM的地址，对波形ROM进行寻址，波形ROM输出D位的幅度码SN经D/A转换器变成阶梯波ST，再经过低通滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形ROM中存放的幅度码，因此用DDS可以产生任意波形。311频率预置与调节电路K被称为频率控制字，也叫相位增量。DDS方程为/，为输出OFCKN2OF频率，为时钟频率。当K1时，DDS输出最低频率（也即频率分辨率），为/CFC,而DDS的最大输出频率由NYQUIST采样定理决定，即/2，也就是说K的最N2CF大值为1。因此，只要N足够大，DDS可以得到很细的频率间隔。要改变DDS的输出频率，只要改变控制字K即可。312累加器图32累加器框图相位累加器由N位加法器与N位寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，加CF法器将频率控制字K与寄存器输出的累加相位数据相加，再把相加后的结果送至寄存器的数据输入端。寄存器将加法器在上一个时钟作用下继续与频率控制字进行相加。这样，相位累加器在时钟的作用下，进行相位累加。当相位累加器累加满时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作。313控制相位的加法器通过改变相位控制字P可以控制输出信号的相位参数。令相位加法器的字长为N，当相位控制字由0跃变到P（P0）时，波形存储器的输入为相位累加器的输出与相位控制字P之和，因而其输出的幅度编码相位会增加P/，从而使N2最后输出的信号产生相移。寄存器频率控制相位量化序列FC314波形存储器用相位累加器输出的数据作为波形存储器的取样地址，进行波形的相位一幅值转换，即可在给定的时间上确定输出的波形的抽样幅值。N位的寻址ROM相当于把0360的正弦信号离散成具有个采样值的序列，若波形ROM有D位N2数据位，则个样值的幅值D位二进制数值固化在ROM中，按照地址的不同可以N2输出相应相位的正弦信号的幅值。相位幅度变换原理图如下图所示图33相位幅度变换原理图315D/A转换器D/A转换器的作用是把合成的正弦波数字量转换成模拟量。正弦幅度量化序列SN经D/A转换后变成了包络为正弦波的阶梯波ST。需要注意的是，频率合成器对D/A转换器的分辨率有一定的要求，D/A转换器的分辨率越高，合成的正弦波ST台阶数就越多，输出的波形的精度也就越高。316低通滤波器对D/A输出的阶梯波ST进行频谱分析，可知ST中除主频FO外，还存在分布在FC、2FC等两边FO处的非谐波分量，幅值包络为辛格函数。因此，为了取出主频FO,必须在D/A转换器的输出端接入截止频率为FC/2的低通滤波器。32DDS数学原理设有一频率为的余弦信号FTS式2COSFTST（31）现在以采样频率对进行采样，得到的离散序列为CFTSROM波形存储器波形幅度量化序列相位量化序列（地址）（数据）式2COSCNFTS2,10N（32）其中为采样频率。CCTF/1对应的相位序列为式CNFT2,210N（33）由式（33）可以看出相位序列呈线性，即相邻的样值之间的相位增量是一个常数，而且这个常数仅与信号的频率有关，相位增量为F式CNT2（34）因为信号频率与采样频率之间有以下关系FCF式MKFC（35）其中与为两个正整数，所以相位的增量也可以写成KM式N2（36）由式（36）可知，若将的相位均匀的分为等份，那么频率为M的余弦信号以频率采样后，它的量化序列之间的量化相位增量为一MKF2CF个不变值。根据上述原理可以构造一个不变量为量化相位增量的量化序列K式N2,10N（37）然后完成从到另一个序列的映射，由构造序列NNS式2COSCS2COSCFNTKM（38）由式（38）是连续信号经采样频率为采样后的离散时间序列，根据TSCF采样定理，当时，经过低通滤波器平滑后，可唯一恢复出。21KFCNTS可见，通过上述变换不变量将唯一的确定一个单频率模拟余弦信号KTS式MTFTSC2OS（39）该信号的频率为式KFC0（310）式（310）就是直接数字频率合成（DDS）的方程式，在实际的DDS中，一般取，于是DDS方程就可以写成NM2式NCKF20（311）由式（311）可知，要得到不同的频率只要通过改变的具体数值就可以了，K而且还可以得到DDS的最小频率分辨率（最小频率间隔）为当时的输出频1率式NCRESFF2（312）可见当参考频率始终一定时，其分辨率由相位累加器的位数决定，若取CFN，则，即分辨率可以达到，这也是MHZFC1032NHZRES024HZ024最低的合成频率，输出频率的高精度DDS的一大优点。由奈奎斯特准则可知，允许输出的最高频率，即，但实际2MAXCFOF1NK上在应用中受到低通滤波器的限制，通常，以便于滤波器滤波，一般ACF式OF40MAX（313）由此可见DDS的工作频率带较宽，可以合成从直流到的频率信号，同时CF40它的输出相位连续，频率稳定度高。4系统总体设计41系统设计原理本文提出的采用DDS作为信号发生器核心器件的全数控函数信号发生器设方案,根据输出信号波形频率任意可调、输出信号幅度连续可调、输出频率宽等要求，选用了美国A/D公司的AD9850芯片，并通过单片机程序控制对AD9850的32位频率控制字进行控制，然后，通过LCD1602数字显示频率值。再经运算放大器进行幅度调节，最后，利用ADC0809采集输出信号进行幅度显示。从而实现了信号幅度、频率连续可调以及数字显示。本系统主要由单片机、DDS直接频率信号合成器、低通滤波电路、A/D转换模块、数字显示电路等部分组成。单片机AT89C52是整个系统关键部分，通过对键盘进行扫描读入频率信息，经转换后输入到芯片AD9850，从而改变输出波形的频率。键盘输入的数字信息经AT89C52控制的LCD1602显示。输出信号的幅值通过A/D模块转换后在数码管上显示输出相应的幅值。42总体设计框图系统构成如下图41所示。图41系统框图键盘LCD1602单片机AD9850低通滤波器信号输出DAC0809单片机LED显示5系统硬件组成51系统硬件构成思路根据毕业设计要求，以及方案的比较结果，拟采用DDS芯片实现设计内容。本设计采用模块化思想，即将不同功能器件分别做成不同模块，以排线进行连接。根据功能要求，共分为四大模块输入模块、输出模块、波形产生模块、控制模块和幅值测量模块。其中输入模块为独立按键，输出模块为LCD1602液晶显示器。输入与输出模块体积较小，焊接在同一块电路板上，但分有不同数据接口，相互独立。波形产生模块由DDS芯片及其外围电路以及一个低通滤波器组成。控制模块由单片机、晶振电路和复位电路以及电源开关、指示灯构成单片机最小系统板。52单片机控制模块在主控电路中，以单片机为主体，通过分析按键输入的数字值，对AD9850写入相应的控制字。它是系统的大脑。单片机（MICROCONTROLLER，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存贮器RAM、程序存贮器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。521AT89C52主要性能AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机。AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89C52单片机的主要性能有兼容MCS51指令系统、8KB可反复擦写大于1000次）FLASHROM、32个双向I/O口、256X8BIT内部RAM、3个16位可编程定时/计数器中断、时钟频率024MHZ、2个串行中断，可编程UART串行通道、2个外部中断源，共8个中断源、2个读写中断口线，3级加密位、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。522AT89C52功能特性描述AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能8K字节FLASH、256字节RAM、32位I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、三个16位定时器/计数器、一个6向量2级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。随着计算机技术的高速发展，单片机以其自身的特点，已广泛应用于智能仪器、工业控制、家用电器、电子玩具等各个领域。AT89C52的引脚结构如下图图51单片机AT89C52引脚结构图AT89C52管脚说明如下P0口P0口为三态双向口，能带8个TTL电路。有两种功能第一功能是一个8位漏极开路型的双向I/O口，这时P0口可看做数据总线；第二功能是在访问外部存储器时，分时提供低8位地址和8位双向数据总线，这时先用做地址总线再用做数据总线。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P0口内部无上拉电阻，作为I/O口使用时，必须外接上拉电阻。P1口P1口是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口（使用前有一个准备动作），负载能力为4个TTL电路。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口，P2口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口是一个内部带上拉电阻的准双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口的8个引脚都有各自的第二功能，可作为AT89C52的一些特殊功能口，如表51所示。表51P3口第二功能P3口引脚第二功能注释P30RXD串行输入口P31T串行输出口P320IN外部中断0输入P331外部中断1输入P34T定时/计时器0外部输入P35定时/计时器1外部输入P36WR外部数据存储器写信号P37D外部数据存储器读信号为复位信号输入端。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两/PDRSTV个机器周期24个时钟周期以上的高电平时间。为地址锁存允许信号，当访问外部存储器时，用来/ALEOGALEALE锁存口送出的低8位地址信号。0外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指期间，PSN产生负脉冲做为外部的选通信号，每个机器周期两次有效。但RMPSN在访问外部数据存储器时，不会产生有效的信号。可驱动8个TTL门PSENS输入端。访问外部程序存储器控制信号。当保持低电平时，则在此期间/PEAVA只访问外部程序存储器（0000HFFFFH）。当端保持高电平时，访问程序CPU存储器有两种情况一是访问的地址空间在0到4KB范围内，访问片内程序存储器；二是访问的地址超出4KB时，将自动执行外部程序存储器的程序。CPU晶体振荡电路的反向器输入端。1XTAL晶体振荡电路的反向器输出端。2供电电压端。CV接地端。GND523时钟电路XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHZ，时钟频率就为6MHZ。晶振频率可在1MHZ24MHZ内选择。电容取30PF左右。AT89C52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，这里采用电容30PF，晶振采用12MHZ。图52时钟电路524复位电路AT89C52的外部复位电路有上电自动复位和手动按键复位。上电复位电容充电来实现。手动按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。按键电平复位电路是在普通RC复位电路的基础上接一个有下拉电阻10K、上拉电容10F接VCC,电源由开关经串接的1K限流电阻至复位脚（和上拉电容并联），上拉电容支路负责在“上电”瞬间实施复位；开关通过1K上拉电阻和10K下拉电阻分压器，保证对单片机实施按键电平复位。电路图如图53所示图53复位电路53AD9850与单片机连接模块531AD9850简介随着数字技术的飞速发展,用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术,即直接数字频率合成DDS技术异军突起。美国AD公司推出的高集成度频率合成器AD9850便是采用DDS技术的典型产品之一。AD9850采用先进的CMOS工艺,其功耗在33V供电时仅为155MW,扩展工业级温度范围为4080,采用28脚SSOP表面封装形式。AD9850的引脚排列如图54所示,图55为其组成框图。中层虚线内是一个完整的可编程DDS系统,外层虚线内包含了AD9850的主要组成部分。AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成,N一般为2432。每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息,每一个地址对应正弦波中0360范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号,然后驱动DAC以输出模拟量。相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次,相应地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置,从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波周期T0TC2N/M,频率FOUTMFC/2N,TC、FC分别为外部参考时钟的周期和频率。图54AD9850管脚排列图图55AD9850组成框图AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表,查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC,DAC再输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻R调节,调节关系为SET式SETSETRVI24813（51）RSET的典型值是39K。将DAC的输出经低通滤波后接到AD9850内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动很小的方波。其系统功能如图56所示。AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出,此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。在125MHZ的时钟下,32位的频率控制字可使AD9850的输出频率分辨率达002HZ并具有5位相位控制位,而且允许相位按增量180、90、45、225、1125这些值的组合进行调整。图56AD9850系统功能图532AD9850的控制字与控制时序AD9850有40位控制字,32位用于频率控制,5位用于相位控制,1位用于电源休眠POWERDOWN控制,2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD9850,图57是控制字并行输入的控制时序图,在并行装入方式中,通过8位总线D0D7将数据输入到寄存器,在重复5次之后再在FQUD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率/相位数据寄存器更新DDS输出频率和相位,同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。接着在WCLK的上升沿装入8位数据,并把指针指向下一个输入寄存器,连续5个WCLK上升沿后,WCLK的边沿就不再起作用,直到复位信号或FQUD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。图57控制字并行输入的时序图在串行输入方式中,WCLK上升沿把25引脚的一位数据串行移入,当移动40位后,用一个FQ_UD脉冲即可更新输出频率和相位。图58是相应的控制字串行输入的控制时序图。AD9850的复位RESET信号为高电平有效,且脉冲持续宽度应不小于5个参考时钟周期。因此AD9850的复位RESET端可与单片机的复位端相连。图58控制字串行输入的时序图在表52中，位W0W31的32位是频率控制字，改变它的内容可以改变AD9850的输出频率。位W32和W33用于工厂测试，应向这两位赋0。位W34用来控制AD9850的上电和掉电，当不需要输出信号时，通过将这一位置1来实现掉电。位W35W39的5位是相位控制字，改变它的内容可以改变AD9850的输出相位。串行装载时，AD9850的D7引脚和W_CLK引脚组成同步串行接口，这个接口可以直接与89C52相连接。40位控制/数据字通过AD9850的D7引脚在W_CLK引脚的脉冲信号上升边沿作用下分40次装入。W0在前，W39在后，依次装入。完成40位控制/数据字的装载后，FQ_UD引脚脉冲信号上升沿刷新AD9850的工作状态，同时复位寄存器指针，准备下一次位控制/数据字的装入。位代号功能位代号功能位代号功能位代号功能W0FREQB0LSBW10FREQB10W20FREQB20W30FREQB30W1FREQB1W11FREQB11W21FREQB21W31FREQB31MSBW2FREQB2W12FREQB12W22FREQB22W32CONTROLW3FREQB3W13FREQB13W23FREQB23W33CONTROLW4FREQB4W14FREQB14W24FREQB24W34POWERDOWNW5FREQB5W15FREQB15W25FREQB25W35PHASEB0LSBW6FREQB6W16FREQB16W26FREQB26W36PHASEB1表52AD9850串行装载的数据结构533单片机与AD9850的接口AD9850有两种与微机并行打印口相连的评估版,并配有WINDOWS下运行的软件,W7FREQB7W17FREQB17W27FREQB27W37PHASEB2W8FREQB8W18FREQB18W28FREQB28W38PHASEB3W9FREQB9W19FREQB19W29FREQB29W39PHASEB4MSB可以作为应用参考,但运用单片机实现对DDS的控制与微机实现的控制相比,具有编程控制简便、接口简单、成本低,容易实现系统的小型化等优点,因此普遍采用MCS51单片机作为控制核心来向AD9850发送控制字。单片机与AD9850的接口既可采用并行方式,也可采用串行方式,但为了充分发挥芯片的高速性能,应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式,而本文重点介绍其并行方式的接口。图59是I/O方式并行接口的电路图,AD9850的数据线D0D7与P1口相连,FQ_UD和W_CLK分别与P2310引脚和P2411引脚相连,所有的时序关系均可通过软件控制实现。图59AD9850与单片机连接54A/D转换模块541A/D转换器简介现实世界的物理量都是模拟量，能把模拟量转化成数字量的器件称为模/数转换器（A/D转换器）。A/D转换器是单片机数据采集系统的关键接口电路，按照各种A/D芯片的转化原理可分为逐次逼近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器具有抗干扰能力强、转换精度高、价格便宜等优点。与双积分相比，逐次逼近式A/D转换的转换速度更快，而且精度更高，比如ADC0809、ADC0808等，它们通常具有8路模拟选通开关及地址译码、锁存电路等，它们可以与单片机系统连接，将数字量送到单片机进行分析和显示。一个N位的逐次逼近型A/D转换器只需要比较N次，转换时间只取决于位数和时钟周期，逐次逼近型A/D转换器转换速度快，因而在实际中广泛使用。542逐次逼近型A/D转换器原理逐次逼近型A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、存储器及控制电路组成。它利用内部的寄存器从高位到低位依次开始逐位试探比较。转换过程如下开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入D/A转换器转换，转换结果与输入的模拟量比较，如果转换的模拟量比输入的模拟量小，则1保留，如果转换的模拟量比输入的模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次重复上述过程直至最低位，最后寄存器中的内容就是输入模拟量对应的二进制数字量。其原理框图如图510所示图510逐次逼近式A/D转换器原理图543ADC0809功能特性描述ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。外形及引脚排列如图511所示顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器输出数字量DAC输入电压电压比较器图511ADC0809引脚图ADC0809的引脚功能说明IN7IN0模拟量输入通道。ALE地址锁存允许信号，对应ALE上升沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时，启动芯片，开始进行A/D转换。CLK时钟信号。ADC0809的内部在A/D转换期间，START应保持低电平。A、B、C地址线。通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。EOC转换结束信号。EOC0,正在进行转换；EOC1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高。OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE0，输出数据线呈高阻；OE1，输出转换得到的数据。VREF参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为5VVREF5V,VREF5V。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连。如图512所示图512ADC0809内部逻辑结构55LCD显示模块1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。551LCD1602的主要性能1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。1602型LCD的接口信号说明，如表53所示表53LCD1602接口说明基本操作程序读状态输入RSL，RWH，EH输出D0D7状态字读数据输入RSH，RWH，EH输出无写指令输入RSL，RWL，D0D7指令码，E高脉冲输出D0D7数据写数据输入RSH，RWL，D0D7数据，E高脉冲输出无编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2DATAI/O2VDD电源正极10D3DATAI/O3VL液晶显示偏压信号11D4DATAI/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5DATAI/O5R/W读写选择端（H/L）13D6DATAI/O6E使能信号14D7DATAI/O7D0DATAI/O15BLA背光源正极8D1DATAI/O16BLK背光源负极552LCD1602与单机的连接图513LCD与单片机的接口电路在实际的接线中，1602的DB0DB7与AT89C52的P0口相接，RS与P25相接，R/W与P26相接，E与P27相接。VL与地之间接一个1K的滑动变阻器来调节1602的显示。56LED显示模块561LED基本结构LED是发光二极管显示器的缩写。LED由于结构简单、价格便宜、与单片机接口方便等优点而得到广泛应用。LED显示器是由若干个发光二极管组成显示字段的显示器件。在单片机中使用最多的是七段数码显示器。LED七段数码显示器由8个发光二极管组成显示字段，其中7个长条形的发光二极管排列成“日”字形，另一个圆点形的发光二极管在显示器的右下角作为显示小数点用，其通过不同的组合可用来显示各种数字。562LED显示器的选择在应用系统中，设计要求不同，使用的LED显示器的位数也不同，因此就生产了位数，尺寸，型号不同的LED显示器供选择，在本设计中，选择4位一体的数码管LED显示器，简称“4LED”。本系统中前一位显示电压的整数位，即个位，后两位显示电压的小数位。4LED显示器引脚如图514所示，是一个共阴极接法的4位LED数码显示管，其中A，B，C，E，F，G为4位LED各段的公共输出端，1、2、3、4分别是每一位的位数选端，DP是小数点引出端，4位一体LED数码显示管的内部结构是由4个单独的LED组成，每个LED的段输出引脚在内部都并联后，引出到器件的外部。图514位LED引脚对于这种结构的LED显示器，它的体积和结构都符合设计要求，由于4位LED阴极的各段已经在内部连接在一起，所以必须使用动态扫描方式（将所有数码管的段选线并联在一起，用一个I/O接口控制）显示。57键盘控制模块图515键盘控制电路通过键盘对波形进行任意频率调节。R2、R3为频率移位按键，R4、R5为频率加减按键。58滤波电路设计为了使输出的频率不受外界和一些杂波的干扰，需用一个低通滤波器LPF滤除高次谐波。常用的滤波器的频率响应有三种巴特沃斯型（BUTTERWORTH），切比雪夫型CHEBYSHEV和椭圆型CAUER。其中巴特沃斯滤波器通带最平坦，它的通带内没有纹波，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大，缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱，过渡带不够陡峭，因此它适用于对通带要求较高，而去除的频率离通带较远的情况切比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个上限值之间做等起伏变化，阻带内衰减单调增大，带内有起伏，但过渡带比较陡峭椭圆滤波器不仅通带内有起伏，阻带内也有起伏，而且过渡带陡峭。比较起来，椭圆滤波器性能更好，本设计中采用的是椭圆滤波器。具体电路图如图516所示。图516滤波电路6软件设计与调试61程序流程图通过程序预置频率，并实现对频率步进的控制，处理用户由键盘键入的频率值，判断是否超出范围，生成频率控制字，经并行方式送入DDS，合成用户所需的频率，并通过程序实现频率的显示。程序流程图如下图61程序流程图DDS的时钟频率很高，对周围电路有一定影响，在电路中采取了一些抗干扰措施，如引线尽量短，减少交叉，每个芯片的电源与地之间都解忧去耦电容，数字地与模拟地分开。在LCD的显示调节时也要选取适当的电阻才能使液晶屏正常的显示，常选取的阻值为1左右。K开始主程序输入初始化LCD显示键盘扫描是否有键按下处理按键频率字修改AD9850数据更新否是611ADC0809数据采集由于只采集、转换、显示一路模拟直流电压，程序设计较简单。调用初始化模块，为A/D转换做准备；A/D转换模块运用并行通信，直接采集电压进行模数转换，然后调用显示子程序，显示出A/D转换后的电压值。具体的程序流程图如下图62所示图62ADC0809流程图612LCD的显示本系统采用的1602的液晶显示，可显示两行数据，每行16个数据。首先根据其指令编码对其进行初始化。但要注意，1602是一个慢显示，所以对其读写数据需要一定的延时，以待其完全接收。在显示时，首先根据其地址分配，设定第一行的起始位置，再显示第一行的内容。第二行显示同理。开始返回初始化启动A/D转换等待A/D转换结束A/D转换结束读取A/D转换结果A/D值转换为电压值显示结果否是开始显示第一行内容设定第二行位置显示第二行内容设定第一行位置1602初始化图631602的显示流程图613键盘扫描流程图图64按键S1、S2扫描流程图如图64所示，键盘初始化后扫描键盘，依次扫描4个按键，每个按键都编有延时去抖的程序，如果S1键按每按下一次右移一次，如果S2键按每按下一次左移一次。通过LCD中看出选中八位中的哪一位，并通过S3和S4来改变相应的数值,如图65所示。如果S3键按下，则频率在相应的位置上加一。如果S4键按下，则频率在相应的位置上减一。键盘扫描按键S1是否按下光标左移一位否是键盘扫描按键S2是否按下光标右移一位否是图65按键S3、S4的扫描流程图62软件调试本系统的软件调试可以在KEILUVISION4的环境中完成，KEIL系统为软件的开发和调试提供了良好的用户界面和强大的功能，程序调试无误后，直接下载到单片机中进行调试。采用自下而上即单独调试好每一个模块后，再连接成一个完整的系统调试。键盘扫描按键S3是否按下频率加否是键盘扫描按键S4是否按下频率减否是结论本次毕业设计完成了单片机控制AD9850产生正弦波、方波、三角波等，并能通过按键调节任意大小的频率值并在LCD1602显示出相对应的频率。在数码管上显示相应的幅值。本设计采用了模块化设计思想，具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。频率可调范围广并且波形失真度小。虽然这次毕业设计完成了毕业设计的基本要求，但是在某些方面还是不令人满意的。比如在幅值连续可调方面，可以调节的幅度范围太小。该方面可以通过改变系统的硬件设施来得以解决。当然，也可以在本次设计的基础上硬件实现通信原理中的各