基于DDS的信号发生器设计.doc

目 录摘要Abstract第1章 前 言1第2章 直接数字频率合成器（DDS）的概述22.1 DDS的基本结构22.2 DDS的基本原理22.3 DDS的性能特点32.4 DDS的应用3第3章 设计方案论证与分析33.1 信号模块33.2控制模块33.3 显示模块33.4 键盘输入模块33.5 系统各模块的最终方案3第4章 系统总体设计34.1 系统设计原理34.2单片机控制模块设计34.2.1 AT89S52的概述34.2.2单片机最小系统34.3 DDS信号产生模块设计34.3.1 AD9850芯片简介34.3.2 AD9850的控制字与控制时序34.33 AD9850与单片机的接口34.4键盘模块设计34.4.1 矩阵式键盘的概要34.4.2 矩阵式键盘的编码34.4.3 矩阵式键盘电路图34.5液晶显示模块设计34.5.1 LCD1602的主要性能34.5.2液晶显示器LCD与单片机连接34.6低通滤波器电路设计3第5章 系统的软件设计35.1软件设计主流程图35.2 AD9850子程序流程图35.3 扫描子程序35.4 LCD显示的流程图3第6章 结束语3答 谢 辞3参考文献3摘 要随着数字集成电路、微电子技术和EDA技术的深入研究，DDS技术以其有别于其它频率合成技术的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的佼佼者。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。根据题目要求，我们以单片机AT89S52芯片和AD9850芯片为核心，辅以必要的模拟电路，设计一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波和三角波。该系统频率、幅值均可调节，相比传统信号发生器的性能，具有频带宽、频率稳定、波形良好、接口简单、编程方便、成本低、易小型化等优点。关键词：信号发生器；单片机； 直接数字式频率合成技术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 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 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 which 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 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 Synthesis 第1章 前 言在电子技术领域中，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、函数信号发生器、脉冲信号发生器、扫描发生器、任意波形信号发生器、合成信号源等。作为电子系统必不可少的组成部分的信号源，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，对于频率合成器的功耗、体积、重量等也有更高的要求。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，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(Direct Digital Synthesis ,DDS)，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（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS）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的最高工作频率与噪声性能已接近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。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。第2章 直接数字频率合成器（DDS）的概述2.1 DDS的基本结构DDS包括数字器件与模拟器件两部分，主要由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、数/模转换器和低通滤波器组成，其基本框图如图2-1所示。图2-1 DDS组成框图其中参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，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位加法器与N位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。每来一个时间脉冲，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存储器(PROM)，存储的是以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0360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，得到的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波信号。2.2 DDS的基本原理以产生正弦信号的DDS技术来阐述DDS的基本原理。一个正弦信号可以由振幅、频率及初始相位惟一确定。正弦信号S(t)的表达式为： S(t)=Acos(2ft+0)在用数字合成方式合成一个正弦信号时，只要产生相应的振幅A、频率f及初始相位0即可，实际应用中与初始相位0无关，振幅更是容易控制。为更好地分析起见，这里设振幅A为1、初始相位0为0。则正弦信号S(t)可表示为： S(t)=cos(2ft)令（t）=2ft，则S(t)=cos（t），那么只要确定了（t）就确定了S(t)。由（t）的表达式（t）=2ft，可知不同频率在相同时间T内的相位增量是不同的，且它们是一一对应的关系。因此推导出下面公式： f=/2T这一公式放映出在相位-时间平面构造中对应于时间间隔T的均匀相位增量时等效为在幅度-时间平面内合成频率f=/2T的正弦波，这正是DDS技术的基本理论。对于计数容量为2N相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波波形存储器，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=（kfc）/2N输出信号频率的频率分辨率为fmin =fc/2N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通常，相位累加器位数较大，例如N=32或48，故用DDS技术能得到较高的频率分辨率。2.3 DDS的性能特点DDS完全不同于传统的频率合成方式，它是一种全数字结构形式。它的特点主要有以下几点：（1）DDS可以产生极高的频率DDS工作在300MHz的时钟下，根据采样定理，DDS的最高输出频率应小于采样时钟频率的1/2，在实际应用中，考虑到低通滤波器的非线性影响，因此，一般能达到fc的40，频率很高，完全能满足设计要求中的高频率要求。（2）DDS具有极高的频率分辨率DDS最主要的特点之一，就是它可以实现极高的频率分辨率。由公式f0 =（k fc）/2N可推导出DDS的分辨率决定于相位累加器的字长和参考时钟频率，只要相位累加器的字长足够长，DDS的分辨率可以达到足够高。例如：时钟频率为100MHz、相位累加器字长为32比特时，最小频率分辨率为： 108/232=0.02328Hz当时钟频率为100MHz、相位累加器字长为48比特时，最小频率分辨率为： 108/248=0.0000003553Hz这样的频率分辨率是传统的频率合成方法绝不可能达到的，完全能满足设计要求中高精度的分辨率。（3）DDS具有极短的频率转换时间DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间主要由LPF附加的时延来决定。如fc10MHz，转换时间即为100 ns，若时钟频率升高，转换时间将缩短，但不可能少于数字门电路的延迟时间。目前，DDS的调谐时间一般在ns量级，比使用其它的频率合成方式都要短几个数量级。（4）输出频率的相对带宽很宽当频率控制字K=0时，输出频率f0=0Hz，即DDS的输出下限频率为0。根据奈奎斯特定理，理论上DDS输出的上限频率为fc/2，fc是参考时钟频率，即采样频率。但由于外接低通滤波器的非理想性，实际工程中，DDS的输出频率的上限一般为： f0max0.4fc 完全能满足设计中带宽要求。（5）DDS具有相位连续性变化DDS工作时，改变频率控制字K，就可以改变它的输出频率，但从其工作原理来看，改变K的实质是改变了信号的相位增长速率，而输出信号的相位是连续的。（6）易于集成，易于调整DDS中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除DAC和滤波器外，无需任何调整，从而降低了成本，简化了生产设备。2.4 DDS的应用DDS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。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、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。（1）实时模拟仿真的高精密信号在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的最佳方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。（2）实现各种复杂方式的信号调制DDS也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制，因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的。现代通信技术中调制方式越来越多，BPSK，QPSK，MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。一个32位的相位累加器可产生43亿个离散的相位电平，而相位精度可控制在810-3度的范围内，因此，在转换频率时，只要通过预置相位累加器的初始值，即可精确地控制合成信号的相位，很容易实现各种数字调制方式。（3）实现频率精调，作为理想的频率源DDS能有效地实现频率精调，它可以在许多锁相环（PLL）设计中代替多重环路。在一个PLL中保持适当的分频比关系，可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来，从而实现更为理想的DDSPLL混合式频率合成技术。（4）输出波形的灵活性只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 (5）其他优点由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 第3章 设计方案论证与分析3.1 信号模块方案一：采用专用信号发生器。MAX038是美信公司的低失真单片机信号发生器集成电路，内部电路完善。使用该芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，但频率精确度和稳定度都难以达到要求。方案二：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。方案三：采用锁相环间接频率合成(PPL)。虽然具有工作频率高、宽带、频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数(如幅度、频率和相位等)都很难控制，不易实现。方案四：采用直接数字合成（Direct Digital Frequency Synthesizer,简称DDS）。用随机读/写存储器RAM存储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。由于DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短(可小于20微妙)，频率分辨率高，全数字化结构便于集成以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，因此，可以完全满足本题目的要求。DDS技术频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、输出信号无电流脉冲叠加、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化。方案论证：从题目要求来看，上述前三种方案都可以满足题目合成频率范围的要求，但信号发生器产生的频率稳定度、精确度都不如DDS合成的频率；另一方面，DDS比信号发生器更容易精确控制，所以我们选择DDS方案进行频率合成。3.2控制模块方案一：采用51芯片AT89C51作为主控制台，通过行列式键盘直接接入51芯片并使用液晶显示器控制输入频率与幅度。采用XR-2206信号发生器，可以产生三个频率完全相同的信号，为正弦波、方波和三角波。其中方波信号被送至分频电路分频。可以达到题目所要求的10Hz1MHz的范围，但精确度会随着频率的增大而难以控制，失真度也会随之增大。当改变幅度时，很难达到题目所要求的范围。方案二：采用89C2051开发制造产品,因为2051看起来体积比较小,功能也较全面.但是2051不是标准的51内核，所以89C2051的程序不能直接移植到51上。由于2051是精简型，所以P口变得很少，这样一来可利用资源比较紧张，只能做一些简单的产品。因此，对于本设计来说是不想适应的。方案三：采用SST系列单片机，SST单片机是在AT89C系列单片机的基础上改进而成的，如AT89S52芯片，其提高了工作频率，可采用串口进行在线编程调试，增加了内存的容量和PAC可编程计数器等功能。综合上述,根据我们题目的要求，最终采用AT89S52作为主控制芯片。3.3 显示模块方案一：采用LED数码管显示。虽然功率低，控制简单，但却只能显示数字和一些简单的字符，没有较好的人机界面。方案二：采用1602液晶显示，此液晶可每行显示16个字符，一共可显示两行。1602液晶的工作电流比LED小几个数量级，厚度约为LED的1/3 ，外围电路简单；液晶体积小、功耗低、显示操作简单、字迹清晰、寿命长，编程容易，而且占用单片机资源少，比数码管方便的多。比较上述两种方案，采用方案二。3.4 键盘输入模块方案一：采用传统的独立式按键。这种方式占用系统的资源较多，而且效率低，程序的编写量大而复杂。方案二：为了提高单片机的资源利用率，按键部分使用矩阵式键盘。这种方法在开关数量多的情况下可以节省很多的接口，并且提高系统接口的利用率。故：确定选择采用方案二。3.5 系统各模块的最终方案经过仔细的分析与论证，决定系统各模块的最终方案如下：信号模块：采用AD9850产生正弦波信号；控制模块：采用AT98S52控制；显示模块：采用LCD显示；键盘输入模块：采用矩阵式键盘输入波形的频率；第4章 系统总体设计4.1 系统设计原理该信号发生器系统是以单片机AT89S52为控制器，以DDS芯片AD9850为核心，通过单片机控制功能芯片来实现频率预置、控制字设置等产生相应的信号输出。AD9850实现信号发生器功能，微处理器控制DA转换器，实现各种信号幅值的可调性。整个信号发生系统的硬件电路主要由单片机控制电路、DDS信号产生电路、积分电路、滤波电路和键盘电路等5部分组成，其系统框图，如图4-1所示。其中键盘采用44矩阵式，主要用以设置频率和幅值；频率采用LCDl602液晶显示。 图4-1 系统框图4.2单片机控制模块设计主控电路中，以单片机为主体，通过分析键盘输入的数字值，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、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和各种I/O接口电路。4.2.1 AT89S52的概述AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS-8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89C51 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AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。4.2.2单片机最小系统 控制模块选用AT89S52单片机，它有2个外部双向输入/输出（I/O）端口，3个16位定时器/计数器，8个中断源，32个可编程I/O口线；与MCS-51单片机产品兼容, 全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、11掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。另外，AT89S52 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。如图 4-2所示：图 4-2 单片机最小系统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。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30pF左右。AT89S52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、起振的难易程序及温度的稳定性，这里采用电容30pF，晶振采用12MHz。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。4.3 DDS信号产生模块设计4.3.1 AD9850芯片简介AD9850是美国AD公司生产的高集成度DDS芯片，采用CMOS工艺，其功耗在3.3 V供电时仅为155 mW，扩展工业级温度范围为-4080，采用28引脚的SSOP表面封装形式，AD9850的引脚排列如图4-3所示,图4-4为该芯片组成框图，内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。图4-3 AD9850管脚排列图图4-4 AD9850芯片原理框图AD9850分为可编程DDS系统、高性能数/模变换器（DAC）和高速比较器三部分，其中可编程DDS系统包含输入寄存器、数据寄存器和高速DDS三部分。高速DDS包括相位累加器和正弦查询表，其中相位累加器由一个N位加法器和一个32位相位寄存器组成，相位寄存器的输出与一个5位的外部相位控制字相加后作为正弦查询表的地址。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。正弦查询表输出后驱动D/A转换器，输出两个互补的电流，其幅度可通过外接电阻RESET来调节，输出电流可由Iset=32(1.248V/Rset)来计算， Rset的典型值为3900欧姆。输出信号经过外部的一个低通滤波器后接到AD9850内部自带的高速比较器，即可产生一个与正弦波同频率且抖动很少的方波。在125 MHz的系统时钟下，AD9850中32位的频率字输入可使输出信号的频率分辨率达到0029 Hz，并具有5位的相位字输入，允许相位按增量180，90，45，225，1125或这些值的组合进行调整。芯片对输入的标准正弦波进行直接数字合成。输入信号频率最高为fclk=125 MHz，可生成0fclk2范围内的任意频率的正弦波和方波。AD9850在接上时钟电路之后，就可以产生一个频率和幅值都可编程控制的模拟正弦波输出，此正弦波可直接用作信号发生器，或者经过内部的高速比较器转换为方波输出。4.3.2 AD9850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(Power down)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4-5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可将数据输入到寄存器,在重复5次之后再在FQ-UD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W-CLK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W-CLK上升沿后, W-CLK的边沿就不再起作用,直到复位信号或FQ-UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。图4-5 控制字并行输入的时序图图4-6 控制字串行输入的时序图在串行输入方式,W-CLK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4-6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,且脉冲宽度不小于5个参考时钟周期。AD9850的参考时钟频率一般远高于单片机的时钟频率,因此AD9850的复位(RESET)端可与单片机的复位端直接相连。表4-1 AD9850串行装载的数据结构位代号功能位代号功能位代号功能位代号功能W0Freq-b0(LSB)W10Freq-b10W20Freq-b20W30Freq-b30W1Freq-b1W11Freq-b11W21Freq-b21W31Freq-b31(MSB)W2Freq-b2W12Freq-b12W22Freq-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-b19W29Freq-b29W39Phase-b4(MSB)在表4-1中，位W0W31的32位是频率控制字，通过改变它的内容就可以改变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，通过打这一位置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89S52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引脚的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。4.3.3 AD9850与单片机的接口 AD9850控制字的写入方式有串行和并行两种。并行写入方式的优点是数据传输的速度快，能够提升整个系统的处理速度，但占用的单片机的IO口资源太多。与并行方式相比，串行写入方式在数据传输的速度上要慢些，但它更大的优点是能节省很多IO口资源。所以，本系统采用AT89S52单片机作为控制核心，通过串行写入控制字的方式控制AD9850芯片，加上键盘和LCD显示部分等外围电路，构成整个系统电路。为了详细介绍AD9850的用法，这里重点给出本系统中AT89S52单片机与AD9850芯片连接电路，如图4-7所示，其中R1=1k，R2=50，R3=25，单片机晶振选用12 MHz，电容采用30 pF经典值。单片机采用12 MHz晶振时，它的高电平时间能够满足AD9850复位要求，故可将AD9850的复位端与单片机的复位端直接相连。图4-7 AD9850 与单片机连接图4.4键盘模块设计键盘是由一组规则排列的按键组成的，一个按键实际上是一个开关元件，也就是说，键盘是一组规则排列的开关。键盘可分为独立式键盘和矩阵式键盘，在单片机系统中，若按键较多，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。4.4.1 矩阵式键盘的概要矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V。当无按键按下时，行线处于高电平状态；当有按键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否被按下的关键。然而，矩阵式键盘中行线、列线与多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，即各按键间将相互影响，因此必须将行线、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。4.4.2 矩阵式键盘的编码对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，因此可分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号。以44键盘为例，可将键号编码为：01H、02H、03H、0EH、0FH、10H等16个键号。无论以何种方式编码，均应以处理问题方便为原则，而最基本的是键所处的物理位置即行号和列号，它是各种编码之间相互转换的基础，编码间的相互转换可以通过计算或查表的方法实现。4.4.3 矩阵式键盘电路图图4-8 矩阵式键盘（44）控制电路通过键盘对波形的频率进行控制，其中S11，S12，S13，S14，S21，S22，S23，S24，S31分别表示0-9个数字；S32，S33，S34分别表示正弦波，方波，三角波的切换键 ；S41表示恢复键，清除频率设定值；S42表示确认按键。4.5液晶显示模块设计液晶显示器（LCD）是一种功能极低的显示器件，它广泛应用于便携式电子产品中，它不仅省电，而且能够显示大量的信息，如文字、曲线、图线等，其显示界面较之数码管有了质的提高。近年来液晶显示技术发展很快，LCD显示器已经成为仅次于显像管的第二大显示产品。液晶显示器全部使用软件进行静态显示，减少了外部锁存器和译码模块的需要，使电路简单化。显示采用液晶显示器1602LCD显示方式，显示内容有频率、频率的增减量,更形象地观察频率的变化值。液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。4.5.1 LCD1602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，如下表所示：表4-2 LCD1602接口说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6EN使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极4.5.2液晶显示器LCD与单片机连接图 4-9 显示电路图LCD显示器主要是显示键盘输入的各个波形的频率。在实际的接线中，1602的DB0DB7与89S52的P0口相接，RS与P1.3相接，R/W与P1.2相接，E与P1.1相接。VL与地之间接一个10K的滑动变阻器来到1602初始显示的调节。4.6低通滤波器电路设计 一个理想的滤波器应在要求的频带内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外则具有无穷大的衰减. 然而实际的滤波器距此有一定的差异,为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性. 用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点。 因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点. 由于运算放大器的增益和输入阻抗高,输出阻抗低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用. 在DDS芯片的正弦信号输出端增加一个二阶RC有源低通滤波器，可以有效地抑制谐波和杂散。该滤波器的组成如图4-10所示， 其中，R1、R2完成电流信号到电压信号的转换。图 4-10 低通滤波电路第5章 系统的软件设计5.1软件设计主流程图根据设计要求信号发生器产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形，DDS输出信号经过外部的一个低通滤波器后接到AD9850内部自带的高速比较器，即可产生一个与正弦波同频率且抖动很少的方波,再在产生正弦波的基础上外接积分电路实现三角波的输出。 图5-1 系统主流程图5.2 AD9850子程序流程图AD9850进入DDS子程序后，首先根据 K =f0*232/fc ，单片机将预置频率f0转化为32位频率控制字K公式中f0是DDS输出的频率，也是通过按键输入频率值。fc是AD9850的参考时钟，取125MHz。系统根据时，通过8位数据总线D0-D7在W_CLK上升把30位控制字送入AD9850的数据输入寄存器，重复5次之后在FQ_UD的上升沿将这40位数据从输入寄存器装入频率/相位 数据寄存器，更新AD9850输出的频率和相位。子程序流程图如图5-2所示。图5-2 AD9850子程序流程图5.3 扫描子程序因按键较多。本系统采用矩阵键盘，而矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此在检测时需人为通过单片机I/O口送出低电平。故检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，如果没有，说明没有按键被按下，系统则退出键盘扫描程序，若有，则判断键号，键号确定后再转到键号相对应的功能程序去执行。用同样方法轮流送各列一次低电平在轮流检测一次各行是否变为低电平，这样便可检测完所有的键盘。键盘主要方便用户设置频率、幅度、选择工作方式等功能。键盘扫描子程序如图5-3所示 图5-3 键盘扫描子程序流程图5.4 LCD显示的流程图初始化结束后，执行显示内容。在此过程中，执行每条指令前先检查标志（BUSY），只有当空闲时，才能执行下一条指令。程序流程图如下图所示：图5-4 LCD显示流程图第6章 结束语该信号发生系统是以单片机AT89S52为控制器，以DDS芯片AD9850为核心，通过单片机控制功能芯片来实现频率预置、控制字设置等产生相应的信号输出。AD9850实现信号发生器功能，微处理器控制DA转换器，实现各种信号幅值的可调性。整个信号发生系统的硬件电路主要由单片机控制电路、DDS信号产生电路、积分电路、滤波电路和键盘电路等5部分组成。其中键盘采用矩阵式键盘，主要用以设置频率；频率采用LCDl602液晶显示。通过搜集目前DDS技术的相关资料，了解国内外DDS信号发生器的相关制作方法，并通过设计方案的比较，针对设计任务提出了可行方案。在设计方案中，结合单片机的功能特点及其控制特性，利用简便的单片机的内部时钟，以单片机作为控制的核心。根据设计方案，详细地阐述了单片机的控制原理、AD9850的使用方法，设计了相应的硬件电路和系统软件。该设计的创新点如下：（1）DDS数字频率合成信号源输出精度高，频率范围宽，频率输出稳定，功耗低，控制方便。（2）将DDS芯片AD9850与超低功耗的AT89S52单片机相结合，提出了具有较高性价比和集成度、低功耗的嵌入式信号源设计方法。（3）在整体设计中采用软件代替硬件的方法减少了硬件设计带来的复杂性；（4） 将液晶显示器1602LCD和AD9850的8位并行数据输入口用同一单片机端口输入，节省了单片机I/O口的资源，便于系统的扩展和升级。毕业设计结束了，留给了我很深的思考，只有通过学习才能获得知识，开始时并不是什么都会，但是只要努力了就一定会有收获。 虽然中间的过程很辛苦，但是只要有结果，就可以忘记艰辛的过程。答 谢 辞 经过几个月的努力，基于DDS的信号发生器设计论文终于完成了，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，但通过这次的毕业设计,我也能够领悟到一些含义,可以把我们在大学里所学的知识有力的结合在一起,再自己发挥一下,理论应用于实践,从而提高了自己的学习能力,以及分析处理问题的能力。在这里，首先我要感谢张素琴老师。从毕业设计选题到设计完成，张老师给予了我耐心指导与细心关怀，有了张老师耐心指导与细心关怀,我才不会在设计的过程中迷失方向，失去前进动力。张老师有严肃的科学态度，严谨的治学精神和精益求精的工作作风，这些都是我所需要学习的，感谢张老师给予了我这样一个学习机会，谢谢！其次，我要感谢所有的老师，为我们打下计算机通信专业知识的基础；同时我还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励,还要感谢我的父母，他们在生活上给予我很大的支柱和鼓励，是他们给予我努力学习的信心和力量。最后，我要感谢我的母校对我的大力栽培,她提供了一个自我发挥,自我成长的平台,使自己明白了一个道理, 理想可以很大，但是，我们必须将它建立在具体的、可以实现的事业之上，选择一种事业追求时，要考虑自己的长处，避开自己的短处，一生的事业，我们要用毕生的经历去实现。在此过程中，我们必须持之以恒，坚持不懈！千万不可以半途而废！在我们探索人生，追求梦想的过程中，必须满怀信心，坚定目标，追求卓越，永争第一！参考文献1全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编,北京：北京理工大学出版社,2004年2肖汉波.一种基于DDS芯片AD9850的信号源J,中国工程物理研究院电子工程研究所.2002年3肖国玲,潘建，王波.一种基于DDS芯片AD9850 的信号发生器J,无锡职业技术学院学报.2007年4李广弟,朱秀月,王秀山.单片机基础M,北京航空航天大学出版社.2001年5 张景璐,于京,马泽民.51单片机项目教程M,人民邮电出版社.2010年6 全国大学生电子设计竞赛组委会M,第四届全国电子设计竞赛获奖作品选编.北京理工大学出版社.2001年 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈