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基于单片机正弦波系统信号发生器学校：宿州学院班级：08电气一班姓名：李伟指导教师：郑伟基于单片机正弦波系统信号发生器 绪论2第一章 系统概述和方案31.1 引言31.2 方案选择31.3 DDS的理论分析与参数计算31.3.1 DDS的基本原理31.3.2 参数计算.41.4 信号发生芯片选择4第二章 系统硬件设计62.1 系统总体设计62.2 单片机介绍及与AD9835（DDS）连接电路62.2.1AD89S51芯片介绍62.2.2 AD9835（DDS）芯片介绍72.3 信号发生器82.4 低通滤波电路92.5 D/A转换及浮动控制电路102.6 信号放大器102.7 显示电路112.8 键盘电路122.9 电源电路12第三章 系统软件流程图143.1 主程序流程图143.2 键盘处理子程序流程图143.3 D/A转换子程序流程图15致谢17附录18绪论基于单片机正弦波系统信号发生器设计,该课题的设计母的是充分运用大学期间所学的专业知识,考察信号发生器的基本功能,完成一个基本的实际系统的设计全过程.通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片,可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形.这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围.直接数字频率合成（DDS）是近年来发展起来的一种新的频率合成技术。其主要有点是相对带宽很宽、频率转换时间极短（可小于20ns）、频率分辨率很高、全数字化结构便于集成、输出相位连续、频率、相位和幅度均可实现控制。因此能够与计算机紧密联系在一起，充分发挥软件的作用。作为应用现在已有DDS产品用于接收基本振、信号发生器、通信系统，雷达系统、跳频通信系统等。本文介绍一种由直接数字频率合成芯片AD9835设计的正弦信号发生器，该芯片支持高达50MHZ的时钟频率，可以产生最高达25MHZ 的正弦波形。通过单片机控制完全可以满足设计所要求的正弦波信号的生成。本文主要分六大部分；绪论，系统概述和方案，硬件部分，软件部分，展望和致谢。绪论，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成的功能和可拓展的功能进行概述，确定系统的设计方案主要元器件的选择。第二章对系统的硬件结构和各部分组成做了简单的介绍和讲解。第三部分是软件部分，这部分主要介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图，最后对整篇文章进行了总结。第一章 系统概述和方案1.1引言信号发生器的实现方法很多，传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC等分离原件制成。与此相比，基于集成芯片想波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点，且大多能产出正弦波、矩形板和三角波等多种波形。根据设计要求，又基于DDS芯片AD9835在正弦波产生方面的优良特性，这里提出一种基于DDS AD9835的正弦波信号发生器的设计方案。本次设计的基于单片机的信号发生器设计就是一个单片机控制系统，对信号发生芯片进行的控制。通过单片机对信号发生芯片经行精密控制，实现对波形的频率和幅度的控制。这些控制可以通过键盘设定，这就要求对选择的信号发生芯片，选用的单片机有初步的了解，并对整个系统的结构有个合理的分配。1.2 方案选择方案一：直接利用单单片机编程产生正弦波优点：简化了产生正弦波的硬件和软件，电路结构简单。缺点：编程复杂，波形失真较大，不能达到要求输出的高频信号。方案二：利用单片机控制直接数字频率合成芯片DDS产生的正弦波，通过单片机，键盘LED数码显示管显示实现波形的数字控制。优点：控制简单，波形效果好，频率带宽。缺点：硬件电路复杂。为了满足设计要求，取得较好的效果，显然方案二更为合理。1.3 DDS的理论分析与参数计算 1.3.1 DDS的基本原理 DDS的基本原理是:在高速存储器中放入正弦函数相位数据表格，经过查表操作将读出的数据送到高速DAC产生正弦波。可编程DDS系统原理如图所示：图1 DDS的基本原理图DDS系统由频率控制字，相位累加器，正弦查询表，数|模转换器和低通滤波器组成，参考时钟为高位定度饿晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。DDS系统的核心是相位累加器，它由N位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。没来一个时钟脉冲，相位寄出去的输出就增加一个步长的相位增简单计算器。每来一个时钟脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS的输出频率，正弦查询表是一个可编程只读寄存器PROM,存储的是一相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0-360度范围的一个相位点将相位寄存器的输出与相位控制字相加得到一个数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号驱动DAC，输出模拟信号。低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦信号。1.3.2 参数计算对于计数容量为2n的相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波形存储器，若频率控制字为K，输出信号频率为f0,参考时钟频率为fc,则DDS系统输出信号的频率为 F0=(k/2n)fc输出信号的频率分辨率为faln=(1/2n)fc由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为fmax=fc/2，频率控制字可由以上公式推出K=f02n/fc。当外部参考时钟频率为50MHZ时系统时钟经过6倍频率，使得fc频率为300MHZ，这样就可利用以上公式计算出DDS的需要设计的控制频率为K=1*248/3001.4 信号发生芯片选择系统采用数字波形合成技术产生任意波形，其基本原理是设法将任意波形的采样点的值依次通过数模转换器转换成模拟量输出。据图原理如下：首先自定义一个周期波形函数，其值按等距采样四个点，然后进行离散化取值，采样后得到该波形一个周期内四点的波形数据，把它按D/A位数进行取整转换，合成偏移码表存放于单片机数据存储器RAM中，根据波形时间参数值，依次去每个点的偏移码通过I/O输出给D/A转换器。如此循环取值，便可以得到连续的波形信号。根据设计要求，本系统的设计基于直接数字频率合成技术，采用单片机AT89S51控制DDS芯片AD9835，通过改变AD9835内部编程控制寄存器所选的操作模式，相位累加器的位数，频率控制字和幅度控制字，以产生频率稳定度达106，最小频率步进为1HZ，多档可调的正弦信号，在使用可编程控制器对输出电压进行精确控制，在频率范围内能产生二进制PSK,ASK信号。在100KHZ固定频率载波进行二进制控制，二进制基带序列码速率固定为10Kbps,二进制基带序列信号自行产生，能够产生模拟调制AM信号。正弦波发生器是本设计的核心部分，波形发生器要求能产生模拟AM,FM调制信号和二进制PSK，ASK信号，以及优于106的频率稳定度，且在1KHZ-10MHZ的大范围内进行1hz的步进调整。采用直接数字频率合成技术，用随机读/写存储器RAM存储器所需波形的量化数据，按照不同频率要求，以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形了。由于DDS具有相对带宽很宽、频率转换时间极短，频率分辨率高，全数字话结构便于集成等优点以及输出相位连续，频率，相位及幅度均可实现程控，因此，可以完全满足。第二章 系统硬件设计 2.1系统总体设计 图2 总体设计原理图基于DDS芯片AD9835的正弦波信号发生器主要由AT89S51、DDS芯片AD9835、D/A芯片TLC7524和射频运算放大器AD829组成，如图2所示，单片机AT89S51控制DDS集成电路AD9835，输出所需要的频率正弦波信号。单片机还用于控制输出信号幅值，检测按键，控制LED显示，并与PC通讯接收远程指令。AD9835输出的信号经低通滤波器滤除高频干扰后送至D/A转换器TLC7524，控制其幅值，TLC7524输出后经运算放大器AD829放大，最后输出满足所要的正弦波。2.2单片机介绍及AD9835（DDS）连接电路2.2.1 单片机AT89S51介绍单片机作为系统设计的核心部分,在系统功能实现过程中起到了决定性的作用.AT89S51是高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复可搽写的只读程序存储器PEROM和128 bytes的随机存取数据存储器RAM，片内置通用8位中央处理器CPU和Flash存储单元。AT89S51中有一个用于内部振荡器的高增益反向放大器，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陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。它能影响振荡器的稳定性。我们选电容值为30pF。AT89S51有强大的I/O口分别是PO.O-PO.7，-P3.O-P3.7。构成了4个并行I/O接口，完成数据的传送和控制。具有丰富的I/O口内置定时计数器和终端系统单片机的引脚分别和功能如下： 本设计采用AD9835的P3口的部分I/O口的第二功能P3.3，RXD，TXD分别与AD9835的FSYNC,SDATA,SCLK连接。2.2.2 AD983芯片介绍AD9835芯片主要技术指标如下：频率范围： 0.1HZ-10MHZ频率分辨率：0.1HZ频率稳定度：1*107输出幅度：0-10v可调AD9835的相位累加器为32位，取其高十二位为读取余弦波形存储器的地址。每一次，时钟使相位累加器的输出也即余弦ROM寻址地址递增频率设定数据K,对应的波形相位变化为P=2n *K/232因此，改变相位累加器设定值K，就可以改变相位值P，从而改变合成信号频率f。计算公式：f=K*fmc/232式中fmc=50MHZ，用高稳定度晶体振荡器获得。1K231。最低频率为fmin= fmc/232,根据采样定律，重建信号频率最高可达fmc/2，饭通常取最高频率为fmax= fmc/3。AD9835封装图如下：2.3信号发生电路作为系统设计的核心部分，信号发生电路是由AD9835和单片机构成。接口如下：AD9835与AT89S51通过三个引脚相连：如图所示。AT89S51串行口工作在方式0。由于AD9835接受的大部分命令和参数为16位，而AT89S51每次只能发送一字节数据，因此FSYNC应在AT89S51串行口连续发送2个字节的过程中保持低电平。AT89S51从串行口输出数据时地位先发出，而AD9835首先接收高位。AD9835接收到的16位数据中，最高4位是命令码，接下来的四位是地址码，低8位是数据码。为了保证AD9835按这个次序接收数据，在软件设计中将要传输的命令码，地址码和数据码逆序编码从AT89S51串行口发出。波形的输出时间参数是指输出波形中每两点的时间间隔。单片机程序中设定寄存器TO是定时器T1是计算器，他们串联起来使用，满足定时时间要求。当计算出C65536时，CPU只使用定时器TO,当计算出C65536时，CPU将把T0.T1结合起来使用，将C开平方后的值给T0，T1作为初值，8位的DAC0832单位周期最多输出最多含有256个点，系统的晶振频率f0：25MHZ。f0是4位数字组合成的频率值。T0，T1被调用以后，开始计算，当定时器T0计数溢出时，产生中断信号，给P3.5写一个脉冲信号，T1用于计数该脉冲信号，当T1产生中断以后，总定时时间到，输出一个点，反复循环，从而可在一个周期内输出一个完整波形。2.4 低通滤波电路低通滤波电器是直接数字频率合成器的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到整个直接数字合成器的特性。在整个DDS实现过程中，低通滤波器除了滤掉高频信号之外，还有除去杂散的作用。DDS的杂散主要来源于以下三方面： 一：ROM幅值量化误差二：相位截断误差三：DAC的转换误差本系统中采用具有较窄过度带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波以降低干扰。a) 椭圆低通滤波器的电路图如下：图2-4 低通滤波电路2.5 D/A转换及浮动控制电路D/A转换器的基本功能是将一个二进制表示的数字量转化为相应的模拟量。AD9835最后输出的是数字量电流，为了实现对其经行控制，需将其转换成模拟量，由单片机控制模拟量进而控制波形实现正弦波的频率和幅度调节。这里我们介绍一种D/A转换器TLC7524。AD9835输出信号经滤波放大，送入D/A转换器TLC7524，单片机控制TLC7524实现幅值调节。其中TLC7524采用直通方式，8位数字量一旦达到D7-D0输入端，便进行D/A转换，从而实现256级幅值调节。TLC7524采用电流工作方式，外接一片运算放大器AD829将电流电压转换为模拟电压输出。2.6 信号放大电路放大器的作用：能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其它电器元件组成。其原理是高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信，高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。运算放大器原理：它是一种直流耦合，差模输入，通常为单端输出的高增益电压放大器。一个运算放大器模组包括一个正输入端，一个负输入端和一个输出端。使用时一般将反向输入端与输出端连接起来形成负反馈以保证电路的稳定运作。下图为电压放大模块电路，采用反比例放大，其增益为R1/R2，C1电容有效滤除杂波。图2-6 信号放大电路2.7 显示电路显示电路选用LED数码管作为显示器件，且采用动态显示方式。图2-7 LED显示电路如图所示采用三级管对数码管进行驱动，本电路采用的是共阴极数码显示，当有三级管导通时，数码管的一端相当于接地，数码管就显示了，RP1为排阻，相当于八个电阻并联在一起。2.8 键盘电路本设计选用独立式按键，因为按键数量不多。独立式按键的硬件特点是每个按键均独立的占用一条I/O接口线，单片机识别I/O接口线电平的高低就能识别出是否有按键按下及哪个按键按下。独立式按键硬件结构及软件设计均较简单，一般用于按键较少或I/O接口线资源有空闲的场合。本设计键盘从上往下依次为KEY0-KEY3，键盘为按下时I/O端口经上拉电阻接5伏电压，输入的是高电平：键盘按下时，I/O端口由于接地，输入的是低电平。KEY0键功能：接P1.0，选定信号的频率控制。KEY1键功能：接P1.1口，选定信号的幅度控制KEY2键功能：接P1.2口，选定的控制对象步进量增KEY3键功能：接P1.3口，选定的控制对象步进量减2.9 电源电路：电源电压为输出电压5伏，输出电流1.5安的稳压电源。它由电源变压器T，桥式整流电路D1-D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C3，和一只固定式三端稳压器7805极为简洁方便的搭成的。220伏交流市电通过电源变压器变换成交流低压，在经过桥式整流电路D1-D4和滤波电容的滤波和整