电子信息工程毕业设计（论文）-基于DDS的信号发生器.doc

梧 州 学 院毕 业 论 文论文题目 基于DDS的信号发生器 系 别 电子信息工程系 专 业 电子信息工程 班 级 06电本6班 学 号 学生姓名 指导教师（签名） 完成时间 2010 年 1 月摘要本文论述了直接数字频率合成技术(DDS)的信号发生器的设计与实现。本设计以DDS芯片AD9850为频率合成器，以AVR单片机ATmega16为进程控制和任务调度核心，用AD603实现增益控制（AGC）和功率放大，串行数模转换器(D/A)MAX531实现方波占空比调节，并用LCD12864液晶显示及键盘构成幅度、频率、方波占空比均可调的函数信号发生器。在对AD9850频率控制字及参数的计算、增益控制、方波占空比调节、两相正弦波相位差调节、LCD显示原理、底层驱动程序等简要讨论的基础上进行了研究，提出了该设计中所涉及到的问题以及解决方案，该信号发生器输出正弦波信号频率范围为1Hz12MHz，方波信号频率范围为500Hz500KHz；步进1Hz，10Hz，100Hz，lkHz，10kHz,100kHz，1MHz可键盘选取；正弦波的电压峰峰值可以在15V范围内步进调节，幅度调节精度达0.1V；方波占空比从1090可任意设定；此外，该信号发生器能同时产生两相正弦波，相位差可以是0，45，90。测试表明，该DDS信号发生器具有工作稳定、精度高、失真度小、频率范围大、步进选择多、控制灵活的优点，具有广泛的实际应用前景。关键词：DDS芯片AD9850AVR单片机幅度调节占空比调节AbstractThis article elaborated the signal generating device design and the realization of the Direct Digital Frequency Synthesis Technology (short for DDS). The design regards DDS chip AD9850 as frequency synthesizer, with AVR Microcontroller (MCU) ATmega16 for the processing control and task scheduling, and with AD603 to realize the gain control and power amplification (AGC), and with serial DAC (D/A) MAX531 to come to square-wave duty cycle regulation, then using LCD12864 liquid crystal display and keyboard to composite the function signal generation with adjusted amplitude, frequency, duty cycle wave.I would like to propose the involving issues and resolving proposals on the basis of simply researching of words and parameters counted with AD9850 control, gain control and duty cycle wave regulation, two phase sine wave phase difference adjustment, LCD displaying principle, low-level drivers. The sine wave signal rate outputting from signal generator is 1 Hz2 MHz: square signal rate is 500Hz500KHz; the step-by-step can be choose from keyboard by 1Hz, 10Hz, 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz, 1MHz; sine wave voltage peak can be adjusted ranging from 1 to 5V by step, amplitude modulation reaches 0.1V; duty cycle wave can be enacted arbitrarily; besides, the signal generator can create two sine wave at the same time, and the difference can be 0,45,90. It shows that DDS signal generator gets the virtues of stable working, high accuracy, small distortion, large frequency range, multi-step selection, flexible control, owning a wide prospect of practical application.Key words: DDS chip AD9850AVR MCUamplitude regulationduty cycle wave III第一章绪论直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS）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姣姣者。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。1.1 DDS技术概述直接数字频率合成技术的出现改变了以往的采用RC振荡电路、直接频率合成、锁相环等传统的频率合成方法，它以固定的精确时钟源为基准，利用数字处理模块产生频率和相位均可调的输出信号。实质上它是按照可编程频率控制字所设定的比例因数，在DDS体系结构中对参考时钟源进行分频，得到所需频率的信号。典型的频率控制字一般为24-48位长，用来提供更优越的频率分辨率，实现DDS技术。使用DDS技术得到的合成信号不仅信号的频率切换速度快，便于程控。随着科学技术的发展和测量技术的进步，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，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的电子技术领域的生产调试需要。直接数字频率合成（DDS）是近年来发展迅猛的一种新的频率合成技术。使用DDS 可以很方便的产生多种简单信号和调制信号，结合单片机可以构成性价比较高的数字合成信号源。相对于传统信号源具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、稳定度高、功耗小、精度高、可扩展性好等优点。基于DDS 技术的信号发生器是一类新型信号源,数字合成信号源目前已经成为信号源主流，在各个领域具有广泛的应用前景。本文在介绍DDS 原理的基础上，重点介绍利用DDS 技术采用AVR单片机ATmega16控制AD9850芯片实现多功能信号发生器的设计。1.2 AVR单片机概述近十几年来，单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集与处理、科技计算、商业管理和办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能小、价格低、可靠性高和运用灵活等优点，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机由于工艺设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采取稳妥方案，即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后的CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施来提高单片机运行速度，但这种状态并未被彻底改观(如MCS51以及其改进型)。AVR单片机的推出，彻底打破了这种旧的设计格局。它飞出了机器周期，抛弃了复杂指令集计算机追求指令完备的做法，采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作属于操作码安排在一字之中，取指令周期短，有可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。AVR单片机硬件结构采取8位机和16位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆和单体高速输入/输出的方案。提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能，同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。AVR系列单片机是8位单片机中的佼佼者，作为高端产品，其中ATmega16单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，性能优异，具有良好的抗干扰特性。1.3 课题内容和要求本设计是研制一个高性能的DDS信号发生器，以DDS芯片AD9850产生正弦波形为基础，利用AVR单片机、比较器、放大器、DAC构成频率、振幅、占空比和相位均可调的波形信号发生器。具体内容包括：1. DDS技术的工作原理及波形产生技术:学习DDS的工作原理，利用DDS芯片设计并实现整个系统，产生正弦波，方波等波形，并实现线性跳频。2. AVR单片机技术:学习Atmel公司的8位单片机ATmega16的原理及工作特性，实现键盘接口电路，波形产生控制电路和液晶显示接口电路。3. 信号的输出处理技术:对DDS芯片输出的模拟信号进行控制，实现调幅，变增益，变方波比等。4. 硬件和软件设计:设计电路原理图，学习掌握PCB布线防干扰知识，制作电路板；利用单片机控制整个系统的工作过程，并通过软件编程对输出电路进行误差补偿，提高信号发生器的精度和准确度。1.4 设计的技术要求与数据1产生从1Hz10MHz频率的正弦波形，频率可以任意设定，分辨率1Hz。2输出电压产生V（有效值）能从15V任意设定的正弦波形，并且增益可调，幅度步进值为0.1V。3产生从500Hz500KHz频率可以任意设定的，50占空比的方波波形。4同时产生两个频率是100KHz的正弦波形（1#,2#正弦波），而且两波形的相位差可以是0，45，905产生占空比范围从1090可任意设定的方波波形。第二章设计原理与方案论证本信号发生系统包括DDS正弦波产生模块，单片机控制模块，放大器模块，键盘显示等四大模块。现将各模块主要器件做以下论证：2.1 频率合成器的方案论证与选择方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038，可产生正弦波、方波、三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件有远见分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与尾部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力低；而且灵活性较差，不能实现波形高精度分辨率以及波形运算输出等智能化的功能。方案二：采用锁相式频率合成方案。利用锁相环，将压控振荡器VCO的输出频率锁定在所需频率上。这种频率合成器可以很好的选择所需频率信号，并省去了大量的滤波器。但由于频率受VCO可变频率范围的影响，高低频率比不可能做的很高。而且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，由模拟方法合成的正弦波参数，如幅度、频率和相位都很难控制。方案三：采用直接数字式频率合成器(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为步进对相位进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储期内的波形数据，经D/A转换盒幅度控制再滤波即可得所需波形(如图)。由于DDS具有相对带宽很宽、拼了转换时间极短(可小于20ns)、频率分辨率可以做得很高(典型值为0.001Hz)等优点，另外，全数字化便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，完全满足设计要求，于是我们采用了此方案。 参考频率源波形存储器相位累加器D/A转换器频率控制字k器 2.2 主控芯片的方案论证和选择方案一：采用AT89S52单片机，52单片机主要特点有：与MCS-51产品兼容；具有8K字节在系统编程的Flash内部程序存储器；256字节内部RAM；32根可编程I/O线；三个16位定时器/计数器；8个中断源等。但是MCS51系列单片机指令周期长，执行速度慢。方案二：AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定高阻输入、驱动能力强等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大。作为高端产品，其中ATmega16单片机具有丰富的硬件资源和软件资源，性能优异，具有良好的抗干扰性。而且AVR单片机在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每MHz可实现阶段MIPS的处理能力，AVR单片机博采众长，又具独特技术，是8位单片机中的佼佼者。综上所述，ATmega16有明显的优势，因此选用ATmega16单片机作为控制核心。2.3 显示模块的方案论证与选择方案一：用LED数码管，LED数码管也称半导体数码管，它以发光笔段并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。数码管只能显示固定的数字和字母，驱动电路较复杂，显示程序编写难，且其显示效果差，闪烁不定等缺点。方案二：LCD12864液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化、接口电路简单等诸多优点得到广泛应用。而且液晶显示内容丰富清晰，显示画面更人性化，并/串口可选，程序简单。显示电路是反映电路性能、外观的最直观部分，为了更好的实现电路整体的性能，显示模块选取12864作为显示器。2.4系统总体结构框图根据设计要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了如图2-1所示总体结构框图：以AD9850为频率合成器，ATmega16单片机为控制核心，完成频率控制字计算，处理键盘数据，控制液晶显示，控制AD603进行幅值调节等。液晶显示1# AD9850频率合成器MAX531占空比调节AD603增益放大 键盘2# AD9850频率合成器ATmega16单片机示波器50M有源晶振图2-1 系统总体结构框图总体结构框图包括硬件设计和软件设计。如图3-1所示，硬件设计主要包括三部分：AD9850波形产生电路设计、AVR单片机控制电路设计和输出信号调整电路设计。软件设计需要完成键盘输入、AD9850频率控制字的写入以及输出信号幅度的 控制等功能。下面就对硬件各部分逐一加以介绍。1. DDS波形产生电路波形的产生主要是通过单片机对AD9850写入频率控制字，改变波形的频率，实现波形的频率在规定的范围内可以随意调节。正弦波可由AD9850直接输出模拟波形，对于方波，可将输出的正弦波经过低通滤波器接到高速比较器，经比较器输出方波。2.单片机控制电路单片机的主要工作是对键盘进行扫描和液晶显示控制，从键盘接收相应的键值，包括合成信号的频率，幅度的放大和衰减倍数以及各种功能按键的值，再通过键值解释程序执行相应的操作。接收到需要产生的频率数据后，单片机经过内部运算得出AD9850产生该频率所需的频率控制字(十六进制)，在写时序控制下，将数据写入AD9850内部的各个寄存器，产生所需的合成信号。3.输出信号调整电路由于输出波形幅度要求在1V5V(1Hz-10MHz)的范围内连续可调，因此采用了AD603程控增益的方法对其进行幅值的放大和衰减。单片机可以通过D/A转换器(MAX531)控制信号的增益，实现信号幅值在规定范围内可以根据需要任意调节。第三章 系统硬件设计单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元（如 ROM、I/O、定时/计数器等）容量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，本设计中ATmega16的存储空间足够设计的需要，不需要进行外部ROM扩展。二是系统配，即按照功能要求配置外围设备如显示器、D/A 转换等。系统的扩展和模块设计应遵循下列原则：(1)尽可能选择标准化、模块化的典型电路，提高设计成功率和结构灵活性。(2)硬件结构应结合软件方案一并考虑。硬件结果与软件方案会产生相互影响，软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件结构。但由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件响应的。所以，选择硬件方案时，要考虑到这些因素。(3)整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例如选用的晶振频率较高时，D/A的读取时间有限，就该选择允许存取速度较高的芯片；选择CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗的产品。(4)可靠性及抗干扰性设计是硬件系统设计不可缺少的部分，它包括芯片、器件选择，去耦滤波等。(5)系统的扩展及各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，应适当留有余地，以备将来修改、扩展之需。(6)在考虑硬件总体结构的同时要注意通用性的问题。根据以上原则，进行硬件设计。3.1 电源电路本机使用+5V和-5V共地电源，硬件设计中采用自带电源方式。本系统中除了AD603接正负电源外，其它如AD9850，有源晶振，ATmega16，MAX531，MC1403，液晶显示器等均使用+5V电源供电。电源电路原理图一般包括三部分：整流，滤波，稳压。4个二极管采用全波整流方式连接，C2和C5用于一级滤波，滤掉高次波的影响，之后经过7805/7905的稳压，另外在稳压管输出端也加上了大容量的电解电容，其目的一、为了能平稳的输出电压并且二次滤波，使其输出不产生大的波动。二、就是储能的作用，是为了避免设计中用到功率电流大的器件影响。电源电路原理图如图 3-1 所示。图 3-1 电源电路原理图3.2 ATmega16单片机最小系统ATmega16单片机最小系统包括LCD12864液晶显示电路，键盘控制电路和单片机外部复位电路三个模块。最小系统如图3-2所示：图3-2 ATmega16单片机最小系统3.2.1 键盘接口设计由于AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻，所以按键开关不用另接上拉电阻，电路更简洁。1.键盘输入的作用在计算机控制系统中，数据和控制信号的输入主要使用键盘。键盘接口，尤其是键入信号的软件处理方法是影响系统使用和操作性能的重要因素。键盘接口及其软件的任务主要有以下几个方面：（1）检测并判断是否有键按下。（2）按键开关的延时消抖功能。（3）计算并确定按键的键值。（4）根据计算出的键值进行一系列的动作处理和执行。2.键值的确定键盘上的每个键都有一个键值。赋键值的最直接办法是将行、列线按二进制顺序排列，当某一键按下时，键盘扫描程序执行到给该列置0电平，读出各行状态为非全1状态，这时的行列数据组合成键值。在本设计中采用了1*6的键盘处理矩阵是因为单片机有足够的I/O端口。同时也是为了编程的方便。3.2.2 12864接口设计为节省单片机I/O口，液晶显示器采用串行接法，串行接法电路设计简单，而且AVR单片机的快速运行丝毫感觉不到串行速度慢。128x64是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及格12864全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可显示84个(1616点阵)汉字。表3-1为其接口信号说明。主要技术参数和性能：1.电源：VDD：+5V；模块内自带-10V负压，用于LCD的驱动电压。2.显示内容：128(列)64(行)点3.全屏幕点阵4.七种指令5.与CPU接口采用8位数据总线并行输入输出和8条控制线6.占空比1/64表3-1 12864接口信号说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地GND11DB4数据线 42VDD电源 +5V DC12DB5数据线 53VO液晶显示偏压输入13DB6数据线 64RS数据/命令选择端14DB7数据线 75R/W读写控制信号15PSBH：8/4 位并行通信，L：串行通信方式6E使能信号16NC7DB0数据线 017RSTH：开使屏幕显示，L：关闭屏幕显示8DB1数据线 118NC9DB2数据线 229LED-ALED 背光电源 +5V DC10DB3数据线 320LED-KLED 背光电源地3.2.3 ATmega16复位电路AVR采取低电平复位，ATmega16有5个复位源：内部上电复位，外部复位，看门狗复位，掉电监测复位和JTAG AVR复位。实际应用时，一般都加一个外部按键复位辅助电路，为了可靠，再加上一只104电容(C27)以消除干扰、滤波，D3的作用有两个：一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V左右；二是系统断电时，将R16(10k)电阻断了，让C27快速放电，以使下一次来电时，能产生有效的复位。3.3 直接数字频率合成的介绍在频率合成（FS, Frequency Synthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接数字合成(Direct Digital SynthesisDDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图3-3所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。基准时钟相位累加器相位/幅度变换D/A变换低通滤波比较器图3-3 直接数字频率合成原理框图3.4 DDS基本工作原理DDS技术是根据奈奎斯特定理取样，从连续信号的相位出发，通过查表法产生波形将一个正弦信号取样、量化、编码形成一个正弦函数表存在EPROM中。合成时，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。相位增量不同将导致一周期内的取样点数的不同，在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位除以幅值量化的数字信号，通过D/A转换及低通滤波器即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。对于一个简单的直接数字频率合成器，它可以分为参考频率源、相位累加器、可编程只读存储器(PROM)和D/A转换器四部分(见图3-4)。相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器图3-4 DDS基本工作原理3.5 AD9850简介及其与单片机的接口AD9850是AD公司采用先进的DDS技术，1996年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，AD9850可产生一个频谱纯净、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转换成方波用作时钟输出。AD9850接口控制简单，可以用位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。32位频率控制字，在125MHz时钟下，输出频率分辨率达0.0291Hz。先进的CMOS工艺使AD9850不仅性能指标一流，而且功耗少，在3.3供电时，功耗仅为155mV。扩展工业级温度范围为-40+85摄氏度。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。相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相位地正弦查询表每消费品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To=Tc2N/M，频率fout=Mfc/2N，Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。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，接到滤波器上。调节DAC满量程输出电流，需外接一个电阻Rset，其调节关系为Iset=32(1.248V/Rset)，Rset的典型值是3.9k。AD9850的内部方框图如图3-5所示。图3-5 AD9850内部方框图AD9850是28脚SOP表面封装。其引脚排列如图3-6所示。功能如下：1.D0-D7，控制字并行输入端，其中D7可作为串行输入；2.DGND，数字地；3.DVDD，数字电源；4.WCLK，控制字装入时钟；5.FQUD，频率更新控制；6.CLK，输入时钟；7.AGND，模拟地；8.AVDD，模拟电源；9.RSET，DAC外接电阻；10.QOUT，QB，内部比较器输出；11.VINN，VINP，内部比较器输入；12.DACBL，内部DAC外接参考电压端；13.IB，IOUT，DAC输出端； 14.RES，复位端。 图3-6 AD9850引脚排列。3.6 AD9850在本系统的电路设计单片机与AD9850的接口既可以用并行方式，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，本系统采用并行接法。DDS的基准信号源决定于整个系统输出的精确度和稳定度，在本系统中采用了50.00MHz的温度补偿晶体振荡器作为DDS的基准信号源，温度补偿晶体不随温度的改变而改变，而且精度和稳定度是非常高，抗干扰也是比较好。使得整个系统输出的频率是那么的精确稳定。由于AD9850是贴片式的体积非常小，引脚排列比较密，焊接时必须小心，还要防静电击穿，焊接不好就很容易把芯片给烧坏。还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。所以在AD9850外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护电路。为了减小外界干扰，添加了不少的滤波电路。正弦波、方波产生详细电路图如图3-7所示。图3-7 正弦波、方波产生电路3.7 方波占空比调节电路占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。比如，占空比为0.1，说明正电平所占时间为0.1个周期。在对占空比概念的了解上进一步深入，经过多项实验方案和比较，最终得出了合理而容易实现的方法，即利用D/A MAX531输出适合的电压信号，通过AD9850内部本身的高速比较器与正弦波进行比较，MAX531与内部比较器负端(VINN)连接，而AD9850本身产生的正弦波与比较器正端(VINP)连接，其结构原理图如图3-8所示。MAX531正弦波占空比可调的方波输出图3-8 方波占空比调节结构原理图该占空比的方法不仅可以实现连续调节(范围：10%90%)，而且实用性强、精确度高、稳定性好，具体电路原理如图3-9所示。图3-9 方波占空比调节电路3.8 AD603原理及应用AD603是美国ADI公司推出的的一种宽频带、低噪声、增益可程控的集成运算放大器，可用于射频自动增益放大、视频增益控制、A/D转换时的量程控制和信号测量系统中。本文介绍了AD603的工作原理及使用要点,给出了以AD603为核心构成的应用电路。3.8.1 AD603引脚排列、功能及极限参数AD603的引脚排列如图1 所示,表3-2为其引脚功能。AD603的极限参数如下：电源电压VS：7.5V ;输入信号幅度VINP：+2V ;增益控制端电压GNEG和GPOS：VS功耗：400mW;工作温度范围：AD603A：-40+85;AD603S：-55+125;图3-10 AD603引脚排列表3-2 AD603管脚功能表引脚名称描述1GPOS增益控制电压正相输入(正电压控制)2GNEG增益控制电压反相输入(负电压控制)3VINP运放输入4COMM运放公共端5FSBK反馈端6VENG负电源输入7VOUT运放输出8VPOS正电源输入3.8.2 AD603的内部结构及原理AD603的简化原理框图如图3-11所示，它由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。加在梯型网络输入端(VINP)的信号经衰减后,由固定增益放大器输出,衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。增益的调整与其自身电压值无关, 而仅与其差值VG(VGPOS-VGNEG)有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50M,因而输入电流很小,致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。以上特点很适合构成程控增益放大器。VG控制的梯形网络的“滑动触点”可以连续的移动，可实现0-42.14dB的衰减。图3-11 AD603的原理框图我们可利用反馈网络(VOUT与FDBK的连接方式)设计AD603的增益GF，可设置为三种模式。模式一：将5脚(VOUT)和7脚(FDBK)短路，AD603的增益为40Vg+10，增益范围为-10+ 30dB。模式二：将5脚(VOUT)和7脚(FDBK)断开，其增益为40Vg +30，增益范围为1050dB。模式三：在5脚(VOUT)与7脚(FDBK)之间外接一个电阻REXT，可将GF设置在31.0751.07dB之间的任意值。3.8.3 AD603增益放大电路图3-12 AD603增益放大电路3.9 MAX531简介及电路设计MAX531是美信公司推出的12位单通道串行D/A转换器件, 它具有功耗低、转换频率快、内部带基准电压等特点，内部有内置2.048V基准电压源这一性能是很重要的，把内置基准电压源的输出作为D/A转换器的参考电压，由于所用参考电压非常精密，所以其D/A转换的输出电压的线性度很好，误差极小，这正是MAX531最可取之处。MAX531为14脚DIP封装，能与MCS51、AVR单片机接口。芯片外部引脚见图3-13，各引脚功能见表3-3。MAX531芯片采用5V或5V供电,具有1路12位模拟量电压输出。D/A转换数据通过DIN串行输入，然后经过D/A转换和运放从Vout输出各种范围的电压信号。如图2所示。DIN-数据串行输入端CS-片选端SCLK-串行时钟输入端 CLR-清零，异步设置DAC存储器为00H图3-13 MAX531引脚排列表3-3 MAX531各个引脚的功能引脚名称功能1BIPOFF空端口2DIN串行数据输入3CLR清除端4SCL K串行时钟信号注入5CS片选端6DOUT串行数据输出7DGND数据地8Vdd电源输入端9RFB反馈输入端10Vout模拟电压输出11REFOUT基准电压输出12REFIN基准电压输入13AGND模拟地14Vss公共接地端3.10 MC1403简介及应用MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为5G1403和CH1403。它采用DIP8封装，引脚排列如图7-1-2所示。UI4.5V15V，UO2.500V(典型值)，T可达10106/。为了配8P插座，还专门设置了5个空脚。其输出电压UOUg0(R3R4)/R41.2052.082.5V。MC1403是精密的带隙电压基准电路。用于要求高的测试仪器和D/A转换器。该电路可与MATOROLA的MC1508和MC3510D/A转换器或MC14433A/D配合使用。低温漂是该器件的主要特点，可作为812位A/D转换器提供基准电压，替代低温度系数的齐纳二极管，高稳定性的电流基准。芯片外部引脚见图3-14，MC1403的功能参数如下：输出电压: 2.5 V /- 25 mV 输入电压范围: 4.5 V to 40 V 输出电流: 10 mA图3-14 MC1403引脚排列第四章系统软件设计4.1 系统软件总体设计软件的质量对仪器的功能、性能指标及操作有很大的影响。根据各部分功能要求，整个系统的软件程序由监控程序，测量控制程序和数据处理程序组成。系统总程序流程图如图4-1所示。开始系统初始化键盘扫描KEY=E？键盘子程序返回YN频率步进选择频率值加相位差设置增益控制占空比调节输出两相波形KEY=AKEY=AKEY=AKEY=AKEY=AKEY=A图4-1 系统总程序流程图4.1.1 监控程序监控程序是软件中的主线，它调用各模块，并将它们联系起来，形成一个有机的整体，从而实现对仪器的全部管理功能。其程序的基本结构为:1.初始化程序：实现对单片机，液晶显示器及AD9850的初始化，对各个使用的寄存器分别进行复位和置位，使信号发生器工作于初始状态，为接收外部控制命令做好准备。2.键盘扫描与解释程序：通过对键盘的扫描和键值的解释，按用户的键入命令转入相应的服务程序。4.1.2 数据处理程序将用户输入的频率值转换成相应的频率控制字，写入AD9850，并根据输出信号频率的大小，对可控增益放大器的增益进行适当调整，通过误差校正，改善电路的幅频特性。4.1.3 测量控制程序用于完成测量以及测量过程的控制程序。主要功能包括对AD9850进行控制，按照AD9850的写时序对各个寄存器赋值，实现数字调制等功能，使其正常工作，输出所需的信号。同时控制可控增益放大器的增益。4.2 键盘监控程序监控程序主要由初始化程序和键盘扫描与解释程序组成。初始化程序主要对单片机的各个寄存器赋初值，通过对与I/O口相对应的各个方向寄存器置位或复位，使需要使用的I/O口工作在输入或输出状态；清标志寄存器和键值存储器，设置各个功能寄存器，为键盘扫描做和液晶显示准备。键盘扫描程序的基本任务主要为监测有无键按下，并判断是哪个键按下。图5-2为键盘扫描程序流程图。下面主要介绍键盘解释程序。图4-2 键盘扫描程序流程图4.3 AD9850数据处理程序数据处理程序主要包括两部分内容，一个是将用户输入的频率值转换成十六进制的AD9850的频率控制字，称为频率字转换子程序：另一个是根据输出频率的大小，进行误差校正的程序，称为输出补偿程序。本设计AD9850数据传送采用并行方式，AD9850控制字并行输入时序如图4-4所示。图4-4 AD9850控制字并行输入时序图AD9850编程分为四个步骤：1. 键入Fout，用程序算出转换字，存储W0W4五个字节；2. 分5次把W0W4写入AD9850，先W0后W4，每次写入的条件是(WCLK上升沿 & FQ_UD = 0；3. 写完W4后，FQ_UD=1，准备写一个频率转换子的写入。根据AD9850编程步骤，得出信号频率的数字控制程序流程如图4-5所示。该部分程序主要用于将键盘输入值转换成十六进制数据，然后产生相应的频率控制字并送至DDS芯片，以改变DDS的相位增量，最终输出相应频率信号。图4-5 信号频率的数字控制程序流程根据以上编程步骤和程序流程图，编写出如下的AD9850并行程序：void getfrequen() /AD9850并行程序uchar i;word1=freq24;word2=freq16;word3=freq8;word4=freq;PORTC&=BIT(FQ_UD);for(i=0;i5;i+)PORTA=wordi; PORTC&=BIT(WCLK); delay1mS(1); PORTC|=BIT(WCLK);PORTC|=BIT(FQ_UD);4.4 AD603增益控制程序用ATmega16控制MAX531输出电压到AD603控制电压正相输入端(VGPOS)，MC1403输出电压到AD603控制电压反相输入端(VGNEG)，实现增益控制，MAX531为双极性的D/A转换芯片，它的工作方式是串行输入的， MAX531的时序如图4-6所示。图4-6 MAX531时序图从MAX531的时序图可知：当片选=1，VOUT处于高阻状态；当片选=0则允许MAX531 D/A转换。从DIN输入的串行数据共16位，其中高4位是用于级连用的，若存在级连，则高4位便从移位寄存器移出，从VOUT往下一级MAX531输出。除了高4位外，余下的12位数据便是D/A转换的数据。12位数据通过数据总线，从移位寄存器并行传送至DAC寄存器，再传送至12位D/A转换器，作为D/A转换的数据。由于从DIN输入一共16位数据，因此需要16个SCLK时钟才能全部被接收，而每一位的数据都是在SCLK时钟的上升沿从MAX531的DIN串行输入。本设计中MAX531除了用于调节增益之外，还用于方波占空比的调节，而MAX531驱动程序是完全一样的，其程序如下：void MAX531(unsigned int dat) /MAX531程序 int i;CS531a_L;for(i=0;i16;i+)if(dat&0x8000) D531_H;else D531_L;dat=1;CLK531_L; ;CLK531_H;CS531a_H; 根据本设计中MAX531的连接方式，MAX531输出电压公式为：Vo=2.048*(date/4096.0);MC1403输出电压值固定为0.25V，所以得出增益计算公式为：zy=40.0*(V1-0.25)+10.0;第五章系统测试与总结5.1 测试环境与相关仪器测试仪器：SS-7802A数字示波器，YB1639功率信号发生器，VC9807A+型4位半数字万用表测试地点：梧州学院电子制作中心5.2 测试方法先分别调试各单元模块，调通后再进行整机调试，以提高调试效率。调试过程如下。5.2.1 单片机小系统模块调试用ATmega16单片机读入键盘键值，处理后在12864上显示该键值，并且检查单片机复位键是否可靠。在排除了接线和程序的个别错误之后，单片机系统可以正常工作。5.2.2 AD9850波形输出调试此部分包括晶体振荡电路、D/A转换电路、滤波电路、功率放大电路等模块。各个电路在连接完成后先分别测试，然后再从信号输入处逐级联入调试。5.2.3 系统统调主要任务是检验算法及校正数值。系统总装完成后，12864根据键盘输入值显示输出波形的各个参数，这些参数与实测数据相比较，存在固定误差。调整转换程序中的参数，固定误差基本消除，但存在非线形误差。根据实测数据，确定非线形校正数据。5.3 测试数据信号发生器上电默认无输出，即初始输出为0Hz，步进可由键盘选取为：1Hz，10Hz，100Hz，lkHz，10kHz,100kHz，1MHz。表5-1为正弦信号频率测试数据，表5-2为方波频率测试数据。表5-1为正弦信号频率测试数据设置频率(Hz)示波器显示频率(Hz)设置频率(Hz)示波器显示频率(Hz)11.001290K90.000k22.0021100K100.00k55.0057200K200.00k99.0102500K500.00k1010.010900K900.00k5050.0561M1.0000M100100.002M2.0000M500500.045M5.0000M1K1.0000k6M6.0000M2K2.0000k10M10.000M10K10.000k11M11.000M50K50.000k12M12.000M表5-2为方波频率测试数据设置频率(Hz)示波器显示频率(Hz)设置频率(Hz)示波器显示频率(Hz)500500.0420K20.000k600600.0530K30.000k700700.0650K50.000k800800.06100K100.00k1K1.0000k150K150.00k3K3.0000k200K200.00k5K5.0