毕业设计（论文）-基于单片机的任意波形发生器的设计.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 39 页 共 39 页1 绪论在当今这个时代人们的生活水平不断提高，而产生方波、正弦波、三角波等波形的发生器存在一定的缺陷，现在我们应该需要一种能产生任意波形的发生器，它不单能产生传统的波形，还能输出它的频率、周期等功能，并且它的分辨率要求也是比较高的，还能清晰的看出波形图的幅值跟频率。因此，本设计中的信号发生模块选择AD9833,主控制器选择STC89C52单片机来实现，这些芯片就能完成了任意信号发生器的设计了。1.1 课题背景及意义在最近几年出现了一个能产生任意波形信号源的发生器，这就是任意波形发生器。任意波形发生器比之前的波形发生器还利用了数模转化和微处理器等功能。任意波形发生器能够根据人们的要求显示出不同的波形，其中波形的周期也是可以变化的。它也可以产生一般发生器显示的波形，比如方波，三角波，正弦波等稳定周期的波形1。伴随着人类的进步，在工业上、电子上的发展不断加快，使人们对信号需要更深透的理解。通信的发展都需要不同的信号来测试，在研究生物学领域的时候，也要接触脑波信号跟神经信号等电信号。所以，任意信号发生器部分的信号源是由自动化部分的系统跟较少的测试方案一起组成的。这种发生器的发展越来越快，在电学跟非电学领域中发展也很快。目前，大多数仪器设备开始朝着低功耗、便携式、智能化和多功能方向发展。大多数新型的函数信号发生器都不再采用分立元件的方法，主要是因为采用分立元件制作的信号发生器的功耗较大，并且最终实现设计的体积也非常的大，此外这些信号发生器输出频率稳定度和精度都较差。DDS技术的出现为智能化、高精度和高稳定度的信号发生器的设计奠定了基础。DDS技术是一种全数字频率合成技术。它是利用一段数据链来通过数模转换而产生之前所确定的一个模拟信号，原因是它没有锁相环跟震荡元件的环节。为了能使显示出来的信号频率与它的转换速度为准确的，这就得需要将它的方法跟理论结合起来，才能确保它的功能正常工作。由上面的介绍让我们知道DDS技术具有许多优点：频率度较为稳定、产生出来的噪声相对低、提供的分辨率较高、转速也是比较快的。由于DDS技术所存在的诸多优点，使得各种专用和通信的DDS芯片制作出来，应用到实际的函数信号发生器之中，并在当前函数信号发生器领域占据着重要地位2。任意波形发生器可以任意的在计数机上输出波形的情况，这都是由于它一些特别的功能而产生的。为了能完成本设计，我们将采用专门产生波形的工具产生波形，这样会使波形更加的稳定。每次用编辑器产生的波形都有一定的区别，那这样对有些任意波形发生器的产生的波形会耗费相当长的人力跟时间。为了使波形在计算机上能够稳定的输出，并且能认真的分析思考，因此采用了随机存取的办法来实现任意波形，这样能更准确的计算跟思考波形的一些特征，而且能更有效的与一般的波形发生器进行对比。1.2 课题设计要求本课题首先研究的是任意波形发生器的基本原理与设计原理，熟练掌握单片机技术的应用。研究各种类型信号发生的原理及算法，研究DDS信号产生的特点及功能。并写出任意波形发生器的总体方案设计与论证。对DDS芯片及信号发生器系统组成的各部器件及芯片选择要很严格。输入模块、控制模块、频率合成模块及输出模块的设计，可选择单片机系统与DDS系统组合设计，借助相应的EDA设计软件进行完成。作总体系统电路设计及电路调试，提高波形发生器的精度和稳定性并使其具有实用价值。2 DDS技术的介绍2.1 任意波形发生器的设计原理本设计采用数字控制信号的相位增量的新型DDS技术，它具有好多优点，例如有较高的分辨率、良好的稳定性、可方便的产生较多的波形等。改变它之后输出的频率而采用的DDS技术提供每个周期的度数来完成的任意波形发生器。通过查表的方法来找出对应的相位点3。用较多的点来替换产生的波形，这也就是一种插值描点的方法，然后按顺序的显示出来，再通过找多对应的相位点用数模转化器把波形显示出来。想要显示你要的那个波形就必须通过低通滤波滤掉刚刚用数模转化器转化出的那个波形，这个过程也就是模数转换的一个逆过程，其方法也比较简单。我们可以改变数模转换器中的参考电压跟两个插值点之间的相位而去改变波形的幅值跟频率了。本设计是基于单片机并运用了DDS芯片而一起完成的一个设计方法。想要获得你想要的任意的波形或者幅值，频率等，这就要用到单片机与之间的配合了。数模转换器的参考电压是DDS芯片产生合适的电压为基准，然后再由查表的方法，找出对应的相位点送到数模转换器中，产生对应的数值。通过查表的方法依次找出其一个周期后，再重头再来，然后输出下一个周期的波形。再由低通滤波处理经过D/A转换的信号，把一些干扰的波跟错误的插值频率处理掉，就能产生你所需要的任意波形了。根据本设计的任务要求跟指导老师的要求，我就选择了下面的一些器件跟电脑软件来完成本设计。在硬件系统上我采用了主控制芯片是STC89C52的单片机跟AD9833的模块，以及DAC0832数模转换芯片，在软件上我就选择了Protel99sE来设计本任务的电路的原理图跟PCB图。接下来我就根据要求画出电路图跟PCB图，然后向学校申请一个实验室，之后进行手工焊制电路板4。2.2 DDS技术内部的简介2.2.1 频率合成技术频率合成就是在以小段频率之中，它能产生多个频率输出点的工作，并且有一个相对准确的参考频率。根据频率合成的原理发明了频综，频率合成技术在现在这个时代发展是非常快的，它也代表了现代技术与以前技术的一个很大的飞跃，它已经成为电子信息技术之中的一个重要组成部分。许多电子产品都需要研究其内在的频率性能，在二十一世纪中它的发展也是尤为的重要。2.2.2 频率合成技术的发展及分类在二十世纪三十年代的时候频率合成技术开始被发掘出来，之前的频率合成技术是由许多晶体来产生的，它的振荡器产生许多的频率点，然后输出出来。频率在实际中是与电路没有任何关系的，它一般是由人来完成切换的，而晶体是来决定它是否稳定跟准确的。之后为了降低花费的成本就产生了一个非相干合成法，这个方法还是相对的稳定的，它是利用少量的晶体却产生较多的频率，从而使它的发展很快。但发展到一个新的阶段，就会淘汰一些跟不上的技术，于是新的方法就脱颖而出了，它也延续了非相干合成法的一些优点，比如它的稳定性，花费的成本较少等，这就是专家们刚提出的相干合成法，并且它只要一个频率源，而且节约的成本会更少5。直接频率合成就是第一种被人们称的相干合成法。直接频率的种类有分频、倍频、混频等。可以通过把参考的频率进行数学化的处理而得出你所需要的频率，这种方法就叫做直接频率合成的方法。不光只需要一个基准源，如果有很多的基准源也可以通过数学化的方法直接合成你所要的频率。虽然这个方法有许多的优点，可以完成我们所需的要求，但它也产生一些不必要的麻烦，它的缺点也是非常的多的，考虑到其的弊大于利，这种方法我们基本不会进行运用的。既然有直接频率合成，那么从实物的客观性上知道，一定会出现一个间接频率合成的方法，间接频率合成其中也有好多的小分类，比如最重要的就是它的模拟间接频率合成。人类将锁相技术结合着相位反馈理论一同运用到了模拟间接频率合成技术中，并且取得了成功，开创了新一代的频率合成技术，它的重要部分是锁相环频率合成。数模混合的锁相环就代表着目前运用最多的合成方法，它的各部分是数字鉴相器、模拟环路滤波和压控振荡器以及分频器，由于组成方式多，也就造就了它具有的优点能高频率的输出，能抵制内部的排斥，产生较低的噪声等，因此在频率合成技术复杂的今天，它能继续占主导优势。现在的市场上性价比较高的频率合成器还是很多的，比如一些好公司，Motorola公司和Qualcomn公司等，产品有MC145191、Qualcomn、Q3236、LMX2325、LMX2326、LMX2330等。这些公司的生产，让我们有了更多的选择。七十年代的时，我们已经步入了频率合成的第三个时代，那是因为直接数字合成DDS技术的诞生，它的诞生是来源于超大规模集成电路结合数字信号处理理论而形成的伟大的技术。也就在七十年代，DDS的概念被J.Tiemey和CM.Tader等人开始提出假象来:首先是利用数字方式累加相位来完成的相加和作为一个地址，然后再用刚刚那个地址通过正弦函数表的查询而得到正弦波幅度的离散数字的序列，之后通过数模转换器跟显示器输出来正弦波6。DDS具有众多优点，突出的优点有变频的速度快，频率连续性强等，也就因为这些优点使它在这短短几十年的时间里发展如此的迅速，我们现在还在运用它来作为一些电子产品的芯片。2.2.3 频率合成技术的技术指标频率合成技术其中包含了许多的指标，其中有的很重要，有的不重要，但由于其中的复杂性，因此它的这些指标功能方面中就突显出一些优点或者，接下来就向大家介绍下频率合成技术的一些指标以及指标的功能等。频率范围:频率的波动范围是由频率合成而产生的，最小的合成频率与最大的合成频率来决定它的大小，合成之后的频率应该就在最大跟最小合成频率之间。也常用相对带宽来衡量频率范围。 式(2.1）分辨率：完成频率合成后产生两个相位点，其两点间的距离就是分辨率，分辨率与频率的合成还有很大的关系。切换时间：从频率切换最先到结束之间能通过容许错误范畴的时间。它与频率合成的关系也非常的密切。谐波抑制与杂散抑制：谐波抑制是指载波整数倍频率处单根谱线的功率与载波功率之比，而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比，它们表征了频率输出谱的纯度。频率源中的谐波和杂散主要由频率源中的非线性元件产生，也有频率源内外干扰的影响，还与频率合成的方式有关7。长期频率稳定度：在一个规定的时间下频率源在规定的外界条件下，在一定的时间(年、月、日)内工作频率的相对变化，它与所选用的参考源的长期频率稳定度相同。短期频率稳定度：主要指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏，即相位噪声。2.3 DDS技术理论用数字来控制信号的相位量的增加，使其转速变快，分辨率变高，稳定性好等特点而形成了DDS直接数字合成技术，由它的形成结构可知道其的一些特点就是形成后DDS直接数字合成技术的优点。它的方法就是使用一些点来描述这个波形，比如正弦波，先在规定时间间隔内取出一些点的坐标，然后通过数模转换，显示出大致波形，然后再通过滤波器修改波形，最后通过示波器显示出波形。其实这个过程就是模数转换的一个反向过程。大概掌握两个取值点之间的时间间隔，就可以控制此波形的频率跟周期了。2.3.1 DDS设计原理和结构用DAC转换器把一些数字信号转换成模拟信号的技术叫做DDS技术。从实际情况来看，DDS就是一个计数器，只是它的运行频率比较高。在计数进位时，我们也会再利用一位来记录进位的数字，并且设计一个清零跟复位。这个计数器要用来保存波形的一个周期存储设备，并用高阶位来寻址。随着高频时钟每转一格单位，之后计数器也会跟着转动一下，就会有个新的地址字出现在存储器里，显示出一个新的波形跟数据，DAC就会接受到这个波形的一些数据。最后DAC输出一个大体的波形，再由滤波器修改产生一个比较好的波形输出来。如图2.1所示是DDS的一般构造。这个非线性函数可以表示为正弦信号的函数。开始应该选择一个函数，然后再将这个函数进行数字量化，接着以x、y为地址跟数据，最后按循序的输入到波形存储器中合成一个正弦波。波形存储器中的地址是被DDS运用相位累加技术来控制的，在一个周期中，它最后的结果都是通过相位累加器把前一个相位的增量相加的。为了改变DDS最终的输出值就应该改变相位的增量，在输出频率周期中的稳定性就决定最终输出频率的稳定性。因为本设计中的波形是通过周期内取连续的点而完成的，所以它显示的波形是呈现星星点点的，而且不是一个连续的波形，这是必须通过波形滤波器来过滤掉一些不需要的错误波形，最后就能在示波器呈现出相对比较稳定的，不失真的正弦波8。频率输出相位寄存器相位幅度转换D/A转换参考频率频率锁定相位控制寄存器 图2.1 DDS基本结构图如果累加器开始自动的进行进位时，说明DDS中的相位累加器计数应该大于，并且把2上面的N保存到累加器中。通过上面的框图跟介绍让我们知道周期时间和频率所控制的字对DDS的输出信号频率有着密切的关系。它们的关系是： 式(2.2）DDS最小频率分辨率是： 式(2.3）2.3.2 DDS技术的特点DDS与传统的频率合成方式还是有很大的区别，虽然直接模拟频率合成和间接频率合成都同为DDS技术，它们之间还是有区别的，但有很多共同的特点:（1）频率分辨率极高。（2）频率捷变很快。（3）具有较宽的输出相位带宽。（4）变频相位连续。（5）操作简单、实现容易、便于控制，还能很好的实现功能扩展。显示出想要的任意波形，可以变化存储中表格的数据。这个设计可以任意调节控制主要由于它的周期跟频率可以自由的调节。如果再发展下去，我相信DDS芯片的作用会更加的大，可调节的东西更加的多，实现的功能也能越来越大。（6）杂波抑制差。DDS全数字结构带来了很多优点，DAC的位数与DDS的杂波抑制有着密切的关系。（7） 能较窄的输出带宽。DDS的缺点是对器件速度的限制有反向的关系，受它的影响较大。2.4 EDA技术EDA技术研究在各个方面都有涉及。无论从低频、高频还是微波，从线性到非线性，从模拟到数字，还是从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究在市场上发展是如此的大9。在电子设计技术领域中，PLD的灵活性应用到生活与生产中，对生活与生产都有很大的帮助。PLD是具有双重重构的，无论是软件编程还是硬件设计都可以进行完成工作，这也帮助了硬件设计更加的方便，就像软件一样操作方便，便于人们的生活，节省了一些工作。它改变了人们传统眼中的观念，认为软件会比硬件更容易，也改变传统的设计观念与方案。纵观可编程器件的发展史，EDA都为现代电子技术的发展奠定了基础。EDA与现代的众多电子技术有密切的联系，它也是许多科学研究的一种基础，可以这么说，如果没有它好多科研是研究不起来的。它的发展是从上世纪九十年代开始出现的，如图2.2所示。EDA CAE CAT CAM CAD 图2.2 EDA发展框图 设计的人可以利用EDA了解到PLD的一些工作器件，然后通过软件来修饰硬件设备，最后得出结果。因为EDA的优点就是硬件可以当作跟软件一样，使用很方便10。现在电子技术发展势头正猛，EDA控制数字系统的技术也已经相当的熟练了，由于信息化发展过快，EDA的技术在市场上正争相恐后竞争中，这也是把双刃剑，优点是它的技术会变得越来越娴熟，对生活与生产都提供很大的帮助，缺点就是发展快，淘汰率变快，让人们不满足现状，总期待最新的产品，浪费了我们的钱财。由于PLD的发展速度过快，也带动了EDA的发展，之使两者的关系更加的贴近。上世纪八十年代PLD器件产生，并且具有可编程的优点。PLD器件也为之后科学家提出新的构思奠定基础，从而科学家发明出了专用的IC，此产品的问世加快了市场产品开发的时间，也降低了成本。3 总体方案论证通电对你所要信号进行测试的仪器就是信号发生器。按输出信号波形分成四类：正弦信号发生器、波形信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器。本系统使用专用的信号产生芯片AD9833来作为信号产生源，只需要使用单片机控制AD9833，本系统就可以产生所需要的信号波形和频率值。此外通过使用运放LM358，使得本系统的输出幅度可以进行手动调节。3.1 系统方案方案一：利用数模转换器转换由单片机函数发生器产生的波形，如正弦波、脉冲波等，操作简单，还能改变它的参考电压与频率，输出的频率也很稳定，能满足一般的需求。方案二：运用了电子大赛上的方法，先用锁相环中的压控振荡器锁定到要输出的频率上，然后采用锁相式频率合成的方法来调节所需方案，但此方法有一些弊端，对所画的电路要求过于复杂，对较低频率信号产生较弱。方案三：利用ADI公司下的AD9833芯片来完成这个电路要求的输出波形，它产生的波形都具有频率，周期及占空比等可调操作。它也能产生一些一般的波形，如三角波、方波、正弦波等。这个芯片产生的波形失真较小，实现波形相对稳定，便于实验室操作，能有效的通过调节电流、电压及电阻来控制它的频率与输出频率的宽度等优点。 方案四：为了能控制显示波形的频率与幅度就只能采用编程的方法了，而性价比最高的就是STC公司的STC89C52单片机。这个单片机可以忽略硬件上的一些确定，能通过软件编程的方法实现频率与波形形状的选择需求，最后能通过示波器显示出一个比较完美的波形。由于方案一设计方案比较传统，现在这个社会的技术要求过高，所以方案一不适合。方案二由于它不能良好的处理低频率的信号，并且电路的要求也相当的复杂，因此也不能采用。剩下的方案三与方案四就可以结合起来，利用AD9833芯片完成我们想要的波形，再通过STC89C52单片机来实现软件与硬件上的结合，能完成一个频率等操作可调，硬件上能完美显示出波形，并于调节能同步操作，所以选择方案三与方案四，也只有这两个原器件的结合才能良好做出这个设计。而且这两个芯片性价比较高，在花费上还能减少一些开支，适合我们这些学生。3.2 设计方案论证在规定时间内，相位累加器以的速率一步一步的累加，当它所加的部分超过了累加器进位的速度，那么输出的频率就是DDS。之后用输出的频率在已经更新好的DAC数据中进行查找，对应出表中的数据。通过对应点的数据再有数模转换器转换那些数据，显示出波形再通过滤波器输出频率的波形了11。要求输出任意波形就得通过更新查表中的数据，把逐点对应的数据再通过上面的方法显示出来，就可以在显示器上看到任意波形了。由于是通过累加器的溢出来进位的，因此位数N在累加器中要满足，这也是重点注意的项目，相位累加器进位后它剩下的位数还要再次进行累加计算，只有这样才能使程序不错误。DDS原理的框架图如3.1所示。 输出相位累加器波形查找表 DAC LPF采样点数控制字参考时钟源频率控制字 图3.1 DDS原理框架4 硬件电路设计4.1 系统硬件结构图在硬件设计要求上，要像软件一样尽可能的容易操作和它的部分结构要非常简单，这样才能便于我们更好的分析硬件系统的结构。如果这个设计的硬件过于复杂，也会导致实物过于笨重，还花费了我们更多的精力跟成本，也更不上这个时代的淘汰率。所以尽量的简便本设计的硬件设施，才能让我们的实物更加的简单，软件操作也能更好的与硬件系统结合起来。最后的设计才能分成很多个清晰地模块。如图4.1是系统硬件结构图。按键输入晶振、复位输入 单片机液晶显示电路 DDS模块（AD9833)波形放大电路波形输出图4.1 系统硬件结构图系统各个硬件模块的功能12：(1)STC89C52单片机。作为系统的主控制芯片，读取按键，并根据按下的不同键采取相应的措施。其次，单片机控制AD98333输出指定的波形和频率。最后单片机控制液晶显示当前输出的波形和频率值的大小。(2)AD9833电路。AD9833是我们的DDS模块，主要接收单片机的配置指令， 并产生特定的波形和频率的信号。(3)晶振、复位电路。使单片机能够正常工作。(4)液晶显示电路。显示输出信号的波形、频率等。(5)信号调理电路。信号调理电路是对DDS模块产生的信号进行处理，比如进行放大、波形变换等。4.2 核心器件介绍4.2.1 单片机STC89C52介绍STC89C52是可编程的Flash存储器，并且是在8K中的系统存储器，它是STC公司生产的性价比比较高的单片机，它也是一种低功耗、高性能的微控制器。STC89C52是对传统的51单片机一个改进，但它也沿用了特别经典的MCS-51的内核。由于STC89C52的灵活性与可编程性，所以在好多嵌入式控制应用系统中都运用了这种单片机。具有以下标准功能13： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外STC89C52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。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。单片机的引脚图如图4.2所示。 图4.2 STC89C52引脚图4.2.2 AD9833模块介绍AD9833是ADI公司生产出来一种新型芯片。它具有低能耗,可编程等优点,就是看中它的这个优点我们设计波形发生器14。AD9833芯片在现在生活运用很常见，它不需要其他的原件，只要通过与软件相连通就能运用到各类设备跟测试中，而且它的精确度是非常高，还能在微弱频率出显示出波形，这也是我们设计中选择这个芯片的原因。AD9833的模块外形图如图4.3所示。AD9833的内部电路组成结构如图4.4所示。 图4.3 AD9833模块外形图 AD9833数控振荡器频率、相位调节器Sine ROM数模转换器电压调整器 图4.4 AD9833的内部电路组成结构AD9833为了能更好的与现代主流的控制系统相兼容的话，它的最高频率至少必须要达到40MHz，AD9833还可以通过3个串行接口传它的数据。一般在2V到5V左右的电压AD9833还是可以接受的。AD9833具有10个MSOP型表面贴片封装的引脚,由于它们的体积非常的小，所以使AD9833具有一个新的功能，它能让数模转换器进行待机也就是休眠状态，这样能减少能耗，能让芯片工作时间大大的变长。4.2.3 ICL7660电源转换芯片为了能够使输出端可以产生双极性型号，必须给运放电路提供双极性电源。为了找一种小功率极性反转电源转换器，所以我们看中了Maxim公司生产的ICL7660双极性电源芯片15。（1）特性。ICL7660能接受小功率的频率。（2）应用电路。ICL7660应用到许多领域。不论从个人还是到国家，还是从电话到航天事业上运用不少它的技术。 ICL7660虽然有转换器、分压器两种模式，但两者的区别还是很明显的。4.2.4 LM358运算放大器虽然说我们显示波形最后一步就是数模转换器了，但它也只是把数转化为电流信号，最终输出的信号是要电压信号输出的，因此我们需要一个把电流信号转换成电压信号的芯片，于是就找到了LM35816。还有个好处就是LM358也能对输出信号进行放大的一个芯片。LM358内部结构其实是个双运算放大器，它有两个独立的、高增益、内部频率补偿的优点。LM358可以运用到电源电压范围很宽的单电源中使用，也能在双电源工作模式中使用，电源电流与电源电压无关。它运用的范围还是很广泛的，无论在放大器，还是增益直流设计上都有这种芯片。4.3 硬件设计单元4.3.1 主控制器电路用AT89S52单片机作为核心的主控器电路，再加上复位电路、晶振电路、电源的指示灯电路组成了单片机的最小系统。如图4.5是主控制器电路的原理图，它是这个设计的主要控制系统。以它为核心的单片机控制这个设计的系统，它的操作是很简单的，而且能很好的与软件进行兼容来完成本次设计。 图4.5 主控制器电路4.3.2 电源转换电路了解了ICL7660这个电源转换芯片的优点，因此本设计选用它作为电源转换芯片，如图4.6所示是它的工作时候的电路图。 图4.6 电源芯片转换电路4.3.3 AD9833电路本系统DDS部分，我们选用的是AD9833模块，AD9833模块的电路图如图4.7所示。 图4.7 AD9833模块电路图4.3.4 信号调理电路信号调理电路如图4.8所示。该部分电路实现输出信号的放大或者对进行进行变换等。 图4.8 信号调理电路4.3.5 液晶显示电路液晶显示是最能展示这个设计的成功或失败，因为它是整个设计的显示部分，目前市场上有许多型号的液晶显示器，但是大多数的还是使用的集成电路的显示器。为了找到一种最大量满足我的要求的情况下，我选用了LCD1602液晶显示器，就是因为它基本满足要求，而且它的价格还是很便宜的，对学生还是蛮可以的。本设计的液晶显示器要求显示出频率等，它的原理图如图4.9所示。 图4.9 液晶显示电路4.3.6 按键电路本设计的键盘采用的是外接键盘，因为这个设计需要切换波形、电压及频率等按键17。键盘需要通过软件编程，确定它工作的方式。按键很简单，只需轻轻的按下就可改变显示器上的数据跟波形，操作是如此的方便，也事实物更加的美观。按键的工作原理图电路如图4.10所示。 图4.10 按键工作电路5 控制部分软件设计5.1 控制软件总体设计流程一个好的软件控制系统必须需要一个较好的硬件系统，不然软件的优势发挥不出来。应该调试出比较好的软件程序，这样才能确保与好的硬件系统相结合来完成本次设计。目前，基于单片机的系统设计中，较常用的编程语言有两种。即汇编语言和C语言。汇编语言结构简洁，可执行性好，执行效率高。由于汇编语言编程很复杂，并且它有较差的可移植性。知道了汇编语言编程的缺点，就看出C语言有着更好地可移植性。此外，C语言的可读性好，且使用C语言可以非常容易的编写复杂的程序，这一点汇编语言是不能够胜任的。本系统设计中考虑到系统的可移植性，以及以后的可扩展性等因素，最终选用C语言编程。编程采用自上而下的模块化编程方法，将所需的各个功能封装成模块，这样增加了程序的可读性，也是系统的稳定性大为提高。单片机应用系统的多种应用状态、应用模式，相应会有多种多样的系统程序结构。软件编程的程序最终体现在按键操作上，本系统的程序结构属于以键盘为中心的键操作结构，软件部分采用模块化程序设计方法。主要流程图如图5.1所示18。系统上电之后，首先进行液晶初始化，已经液晶字符初始化。然后开始1Hz的正弦信号。程序开始是进过液晶初始化与液晶字符初始化，然后向程序中输入1Hz的正弦信号，先记录下没有按按键的情况，输出它的波形跟频率值。再进行下按键操作，根据按下的按键，修改输出波形和频率值记录下来，再按下一个按键，依次下去记录各次输出的波形跟频率。 这个设计最后输出的波形跟频率可以通过按键来修改得到。所以在主函数中需要反复跳动键盘扫描函数，来检测是否有按键按下，一旦有按键按下，系统立刻根据按下的按键进行输出波形的相应修改。就拿开始输入1Hz的正弦波举个例子，如果输入之后什么按键都没按，那么输出的就是一个正弦波，如果输入后按了波形切换按键，那么显示器上的波形就变为方波或者三角波，而它的频率还是1Hz，如果输入后没有按波形切换按键，只是按的频率增加或减少的按键，那么显示器输出的就还是正弦波，但它的频率就有变化了，根据你所调的情况，可能变大可能变小，如果输入后即按了波形切换按键又按了频率增加或减少的按键，那么显示器上不光会有波形变化，而且波形的频率也会随着变化，最后总结下几个一般的波形情况写在论证中。液晶字符初始化液晶初始化输入1Hz的正弦信号根据按下的按键，修改输出波形和频率值输出设定的波形和频率值有按键按下？NY 开始 结束 图5.1 主要流程图5.2 DDS模块的设计过程每来一个时钟脉冲Fclk，N位加法器将频率控制数据X与累加寄存器输出进行累加，然后把相加的结果Y送到累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据X相加19；另一方面将这个值作为取样地址值送入幅度/相位转换电路，幅度/相位转换电路根据这个地址输出相应的波形数据。最后经D/A转换器和低通滤波器将波形数据转换成所需要的模拟波形。相位累加器在基准时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器加满量时就会产生一次溢出，这样就完成了一个周期，这个周期也就是DDS信号的一频率周期。DDS模块流程图如图5.2所示。 开始输入数据X 全加器数据为Y累加寄存器再通过查表对应出输出的数据进行数模转换输出LPF 结束 如图5.2 DDS模块流程图5.3 键盘扫描程序设计键盘扫描程序的流程图如图5.3所示。首先，读取按键判断是不是波形切换键按下了，如果波形切换键按下，则修改输出信号的波形，其次，判断波形频率值按键是否按下。如果按下后，则根据按下的是增大频率值还是减小频率值来改变输出信号的频率。 程序的开始如果没有按下波形的切换键和频率值按键就不会产生结果，如果下按下波形切换按键再按下频率值按键就会得到波形，依次的按下去就会得到各个波形在不同频率值下面的变化的波形，最后一一的记录下来。 开始波形切换键按下？修改输出信号的波形波形输出频率值按键按下？修改输出信号的频率 结束NYNY 图5.3 键盘扫描的流程图5.4 液晶显示的流程图 液晶显示的流程图跟键盘扫描的流程图差不多。首先，程序先确定下这个波形切换按键有没有按下，如果按键按下的话，就会在液晶上显示对应的输出波形名称。之后再确定下这个修改频率值的按键有没有按下。如果频率的按键按下的话，就会在液晶上显示出对应的频率值。也依次的按下去，把得到的波形一一记录下来。 6 系统调试本系统调试的方法如下：首先，我们先绘制电路板原理图，确定各个模块的功能。在确定原理图无误的情况下，我们开始焊接电路板。最后在进行实际的测试。6.1 系统硬件实物图本系统硬件实物图如图6.1所示， 图6.1 硬件实物图6.2 液晶显示界面本系统液晶显示界面如图6.2所示。由下面的图可以看到，液晶显示器上的第一行是波形名称，比如现在就是正弦波，第二行显示是输出信号的频率值的大小。图6.2 液晶显示界面6.3 示波器显示输出波形6.3.1 输出正弦波信号连续按下实物的波形切换键，直到示波器上的波形为正弦波，再通过频率减小按键调节频率，使得到的波形相对稳定，最终得到一个频率为100Hz的正弦波。波形如图6.3所示。从下图中可以看到，数字示波器上的频率值为99.8Hz，而我们输出的频率是100Hz,可以看出输出频率的误差很小。 图6.3 输出波形6.3.2 输出三角波信号同样是按下波形切换键得到三角波，再调节频率增减按键使输出的频率为100Hz如图6.4所示是输出频率是100Hz的三角波。 图6.4 输出三角波信号6.3.3 输出方波信号波形跟上面显示正弦波、方波的操作一样，最后输出方波信号波形如图6.5所示。此时输出方波信号的频率是50Hz。 图6.5 输出方波信号6.3.4 输出其他频率的信号输出234Hz三角波信号，则下面液晶显示的波形名字跟频率如图6.6所示，输出信号的波形在示波器显示图形如图6.7所示。 图6.6 液晶显示界面图6.7 示波器显示234Hz的三角波6.4 实验结果分析本设计的结果是很容易的从示波器跟显示器上看到的，波形对应不同的频率会使其周期不一样，我们可以清楚的读出各个波形在不同频率上的周期等数据，也可以通过看图自己计算出波形的周期，再对应下显示器上的数据，对比下看看有何差异。通过计算发现二者的大小基本一样。结束语本次设计主要基于单片机STC89C52，再加上DDS技术，最后通过自己的焊接来完成这个发生器的设计。首先根据课题的任务书构思出设计的基本方向，再画出这个设计的实现框图，把它分成各个不同的功能模块，然后根据不同功能模块来实现不同的功能。本设计主要是利用的STC89C52单片机和AD9833芯片来完成这个电路要求的输出波形。产生的波形都具有频率，周期及占空比等可调操作。为了能控制显示波形的频率与幅度就只能采用编程的方法了，开始对编程一窍不通，但为了这个设计，询问了好多老师和翻阅了好多书籍，最终完成了这个设计编程的部分。之后再根据框图一步步的完成开始构想的要求，最后完成任务。由于本设计还涉及到滤波、功放以及计算机图形界面、软件编程等众多知识领域及本人在相关领域知识的缺乏，所以，本设计的各项功能指标还有待完善。但是，通过实验证明了本设计的设计思想和设计方法是切实可行的。尤其是采用软硬件编程相结台的设计方法无疑是本设计的一大特点，值得进一步探索和研究。 致 谢一个毕业设计的完成，见证的是一个人的成长过程。在这个过程中有对我们给予直接帮助老师和同学，还有一些默默的在我们身后一直支持我的家人们。在这个将要离开学校踏上社会的我们，必须要学会去感恩，在以后的日子里也要做个能帮助别人的人。现在，我要对曾经给过我很大帮助的的人说声谢谢，因为你们的存在才会让我懂得什么是感恩。在这个时候我会把我所做出的成果献给养育我多年的父母，是他们的辛苦劳作才会给予我学习的机会。我知道今天我所有成功的喜悦都离不开他们挥洒的每滴汗水和提供给我的血汗钱。也要特别感谢传道授业的老师们及指导我的邹老师，他们在我学习的过程中给予了我很大的帮助和启迪，从他们的身上我学到了许多书本以外的知识，他们也不断地告诉我生活中的一些阅历。同样感谢那些在大学学习生活中帮助过我鼓励过我的同学们和朋友们。感谢他们陪伴我这么多年，我眼前不停的显现那些我们一起疯狂的场景，真的很感谢你们！参 考 文 献1 赵文博. 新型常用集成电路速查手册M. 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