基于单片机的交流信号源的设计毕业设计.doc

陕西理工学院毕业设计 第 1 页 共 69 页 基于单片机的交流信号源的设计 范 鹏 兴 陕理工机械工程学院机自专业 087 班 陕西 汉中 723003 指导教师 王长乾 摘要 本设计使用 51 单片机对 DDS 芯片进行控制 利用 DDS 造波的方法产生需要的正弦信号 用户可以根 据需要对芯片设定一个频率值或相位值 通过单片机传输芯片控制字对芯片输出的频率和相位进行调节 达到用户所 要求的信号 本设计采用模块化设计的方法 不同的模块为实现不同的功能而设计 总体由单片机控制协调工作 利 用 51 单片机控制 DDS 芯片造波 具有如下优越性 1 造价低廉 51 系列单片机应用广泛 价格低廉 比较容易购买 DDS 芯片价格较单片机稍高 但与价格成百上千的成品信号发生器相比 本设计经济优势显著 2 电路简单 本设计 利用单片机进行数字化控制 外围元件较少 仅需辅以少量的阻容元件用于电流电压匹配控制以及滤波电路既可 3 频率控制准确高效 数字化控制的最大优点即控制准确 本设计选用的 DDS 芯片内置 32 位高速数模转换器 分辨率 高 响应快 关键词 51 单片机 DDS 造波 频率 The Design of Sinusoidal Signal Generator Based on Singlechip Fan Pengxing Grade 08 Class 7 Major mechanical engineering Mechanical engineering and automation Dept Shaanxi University of Technology Hanzhong 723000 Shaanxi Tutor Wang Changqian Abstract The design use 51series singlechip to control DDS chip s working Using DDS method to produce sine signal The user can set a frequency or phase value freely To achieve the user request signal the singlechip need sending a control word to DDS chip which determines the frequency and phase values This design uses the modular design method different modules designed for different functions Singlechip responsible for coordination of all work The benefits of DDS method to produce sine signal as follows 1 low cost The 51 series singlechip s application are range so they have low price and are easy to purchase The price of DDS chip is slightly higher than singlechip but to compare with the commodity signal 陕西理工学院毕业设计 第 2 页 共 69 页 generator which values hundreds even thousands the advantages of this design is obvious 2 Simple circuit Benefits which digital control takes is Peripheral element is less It s only need a few capacitance and resistance element for crrent and voltage matching and filter 3 Frequency control is accurate and efficient Frequency control is accurate and efficient This design using DDS chip with 32 bit high speed D A converter which has a high resolution fast response Key words 51 singlechip DDS method to produce signal Frequency 陕西理工学院毕业设计 第 3 页 共 69 页 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师的指导下进 行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以标注和致谢的地方外 不 包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果 也不包含我为获得 及 其它教育机构的学位或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的 个人或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有权保存毕业 设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布 论文的部分或全部内容 作者签名 日 期 陕西理工学院毕业设计 第 4 页 共 69 页 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文 中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本 人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 陕西理工学院毕业设计 第 5 页 共 69 页 目录 The Design of Sinusoidal Signal Generator Based on Singlechip 1 引言 5 1 绪论 6 1 1 单片机在函数信号发生器中的应用 6 1 2 发展现状 6 1 3 项目可行性研究 6 1 4 设计任务和要求 7 2 方案及工作原理 7 2 1 方案设计 7 2 1 1 方案一 7 2 1 2 方案二 7 2 1 3 方案三 7 2 1 4 方案四 7 2 2 DDS 工作原理 8 2 3 DDS 移相原理 8 3 电路设计 9 3 1 设计思路 9 3 2 元件选型 9 3 3 系统总体框图 9 3 4 STC89C52RC 单片机 10 3 5 AD9850 芯片 11 3 5 1 AD9850 芯片简介 11 3 5 2 AD9850 工作方式介绍 12 3 5 3 相位控制字的计算 12 3 6 1602LCD 显示屏 13 3 6 1 液晶概述 13 3 6 2 接口信号说明 13 陕西理工学院毕业设计 第 6 页 共 69 页 3 6 3 1602 地址说明 14 3 6 4 1602 指令码说明 14 3 6 5 1602LCD 写操作时序图 14 3 7 低通滤波器的设计 15 3 7 1 低通滤波器 15 3 7 2 低通滤波器的选型 15 3 7 3 低通滤波器的设计 15 3 8 总电路原理图 17 3 9 硬件调试 17 3 10 参数测量及误差分析 21 3 10 1 参数测量 21 3 10 2 误差分析 21 4 软件设计 22 4 1 主程序流程图 22 4 2 源程序 23 总结 24 致谢 25 参考文献 26 附录 27 附录 A 文献原文 27 附录 B 外文文献翻译 34 附录 C 电路原理图 41 附录 D 元器件清单表 43 附录 E 源程序 44 陕西理工学院毕业设计 第 7 页 共 69 页 引言 随着数字电子技术的发展正弦信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器 广泛应用于航空航天测 控 通信系统 电子对抗 电子测量 科研等各个领域中 随着电子信息技术的发展 对其性能的要求也越来 越高 如要求频率稳定性高 转换速度快 具有调幅 调频 调相等功能 另外还经常需要两路正弦信号不仅 具有相同的频率 同时要有确定的相位差 随着数字信号处理和集成电路技术的发展 直接数字频率合成 DDS 的应用也越来越广泛 直接数字频 率合成是一种新的频率合成技术和信号产生的方法 具有超高速的频率转换时间 极高的频率分辨率分辨率和 较低的相位噪声 在频率改变与调频时 DDS 能够保持相位的连续 因此很容易实现频率 相位和幅度调制 此外 DDS 技术大部分是基于数字电路技术的 具有可编程控制的突出优点 因此 这种信号产生技术得到了 越来越广泛的应用 很多厂家已经生产出了 DDS 专用芯片 这种器件成为当今电子系统及设各中频率源的首选 器件 本课题的目的就是依据 DDS 原理 利用 DDS 芯片设计出一个能随意调节频率和相位值得正弦信号发生器 陕西理工学院毕业设计 第 8 页 共 69 页 1 绪论 1 1 单片机在函数信号发生器中的应用单片机在函数信号发生器中的应用 在当今电子领域尤其是自动化智能控制及检测领域 传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统 正 以逐步被单片机控制系统所取代 单片机具有体积小 功能强 成本低 应用面广 在各种仪器仪表生产单位 石油 化工 纺织 机械加工等各个行业中都有广泛应用 等优点 可以说智能控制与自动控制的核心就是单 片机 学习单片机最有效的方法就是理论与实践并重 毕业设计就为我们提供了这样一个合适的平台 基于单片 机的正弦信号发生器的设计 该课题的设计目的就是让我充分运用大学期间所学专业知识 结合动手实践的能 力 完成一个有实际意义的 有实用性的作品 通过对作品设计 提高单片的应用能力 本设计中 单片机担 任着举足轻重的任务 它是整个系统的大脑和核心 其他各分立模块均由单片机分管掌控 协调工作 如单片 机不但要负责键盘按键输入的检测 而且要负责显示屏实 时信息的输出 更要按照用户的要求及时的将工作命令发送到 DDS 芯片中去 1 2 发展现状发展现状 信号发生器是一种历史悠久的测量仪器 早在二十年代当电子设备刚开始出现时它就出现了 随着通信和 雷达技术的发展四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器使信号发生器从定性分析的测试仪 器成为定量分析的测量仪器 同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器 由于早 期的信号发生器机械结构比较复杂功率比较大电路比较简单 与数字仪器 示波器等相比因此发展速度较慢 直到 1964 年才出现了第一台全晶体管的信号发生器 自六十年代以来信号发生器有了迅速的发展出现了函数发生器 扫频信号发生器 合成信号发生器 程控 信号发生器等新种类 各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高同时在简化机械结构 小型化 多功能等各方面也有了显著的进展 信号发生器的应用非常广泛 种类也相当繁多 首先 信号发生器可以分为通用和专用两大类 专用信号 发生器主要是为了某种特殊的测量目的而研制的 如电视信号发生器 编码脉冲信号发生器等 这种发生器的 特性是受测量对象的要求所制约的 其次 信号发生器按输出波形又可分为正弦波形发生器 脉冲信号发生器 函数发生器和任意波形发生器等 再次 按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种 一般传统的信号 发生器都采用谐振法 即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡 获得所需频率 但也可以通过频率合成技 术来获得所需的频率 利用频率合成技术制成的信号发生器 通常被称为合成信号发生器 目前国内生产的波形发生器大部分是利用分立元件及模拟集成电路构成的转换量程靠手动来实现不仅体积 大而且可靠性和准确度很难进一步提高 1 3 项目可行性研究项目可行性研究 基于单片机的信号发生器的设计 将采用单片机控制 DDS 芯片的方法来实现正弦波的发生 在有余力的基 础上尽可能的实现锯齿波 矩形波 根据设计的要求 可以使用多种方案完成造波过程 函数信号发生器电路 中使用的器件可以是分立器件 也可以是集成器件 产生的正弦波 可以通过整形电路将正弦转化为方波 经 过积分电路将其变为三角波 也可以先产生三角波 再将三角波或方波转化为正弦波 随着电子技术的发展 陕西理工学院毕业设计 第 9 页 共 69 页 新的材料层出不穷 开发信号发生器 方案及器件的可选择行多种多样 所以 从技术上讲 项目是可行的 1 4 设计任务和要求设计任务和要求 尽可能利用 DDS 造波方法实现正弦信号的产生 如果实现基本功能后可增加其他波形信号的产生 2 方案及工作原理 2 1 方案设计方案设计 2 1 1 方案一 用分立元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 显示平等 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 体类似半导体器件等 用分立器件组成的函数信号发生器通常机构简单 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平率不高 其工作不很稳定 不易调试 2 1 2 方案二 用晶体管 运放 IC 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 ixnhao 发生器 IC 产生 早期的函数信号发生器 IC 如 L8038 BA205 XR2207 209 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 2 1 3 方案三 采用 DAC0832 通过查表得方式输出需要的波形 通过单片机定时向 DAC 转化器发送转换数据 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 只是在扩展外设的时候浪费了大 量的接口 以后的系统扩展可能会有影响 2 1 4 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 对参数频率源的相位噪声有改善作用 可以产生任意波 形 7 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赫兹不等 芯片 从一般功能到集成有 D A 转换器和正交调制器 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 方案二的多数缺点 故本设计采用方案四 陕西理工学院毕业设计 第 10 页 共 69 页 2 2 DDS 工作原理工作原理 直接数字频率合成器 DDFS 的基本原理 DDS 是利用采样定理 根据相位间隔对正弦信号进行取样 量 化 编码 然后储存在 EPROM 中构成一个正弦查询表 通过查表法产生波形 它是由参考时钟 相位累加器 正弦查询表和 D A 转换器组成 如图 2 2 所示 图 2 1 直接数字频率合成原理框图 相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加寄存器级联构成 其原理框图如图 2 2 所示 每来一个时钟脉冲 Fc N 位加法器将频率控制数据 K 与累加寄存器输出的累加相位数据相加 把相加后的结果 Y 送至累加寄存器 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 K 相加 另一方面以相加后的结果形成正弦查询表的地址 取出 表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值 作为取样地址值送入幅度 相位转换电路 即图 2 1 中的 波形存储器 这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值 二进制编码 经查找表查出 完成相位到幅值转 换 波形存储器的输出送到 D A 转换器 D A 转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量 形式信号 图 2 2 相位累加原理框图 由此可以看出 相位累加器在每一个时钟脉冲输入时 把频率控制字累加一次 相位累加器输出的数据就 是合成信号的相位 当相位累加器加满量时就会产生一次溢出 溢出频率就是 DDS 输出的信号频率 相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同 在取样频率 由参考时钟频率决 定 不变的情况下 由于相位累加器的相位增量不同 将导致一周期内的取样点数不同 输出信号的频率也相 应变化 如果设定累加器的初始相位 则可以对输出信号进行相位控制 由采样原理可知 如果使用两个相同 的频率合成器 并使其参考时钟相同 同时设定相同的频率控制字 不同的初始相位 那么在原理上就可以实 现输出两路具有一定相位差的同频信号 2 3 DDS 移相原理移相原理 所谓移相是指两路同频的信号 以其中的一路为参考 另一路相对于该参考作超前或滞后的移动 即称为相位 的移动 两路信号的相位不同 便存在相位差 简称相差 若我们将一个信号周期看作是 360 则相差的范 围就在 0 360 之间 例如在图 2 3 中 以 A 信号为参考 B 信号相对于 A 信号作滞后移相 则称 A 超 前 B 或称 B 滞后 A 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 69 页 图 2 3 移相示意图 若输出信号 A 和 B 的相位差可调 须保证两路信号同步 故应满足以下条件 1 输入到两个频率合成器 芯片的参考时钟之间的相位偏移要足够小 这个相移会导致输出信号之间产生与之成比例的相移 2 频率控 制字送到频率合成器的数据缓冲区后 还必须通过一个更新时钟才能将数据缓冲区中的数据送到相位累加器 成为有效数据后进行输出 3 电路设计 3 1 设计思路设计思路 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 造波模块和控制模块 其中输入模块为矩阵键盘 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 造波模块由 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 3 2 元件选型元件选型 元件选型的原则是在能够完成毕业设计要求的前提下本着 经济 实惠 够用就行 的原则进行 单片机 选用 STC 公司生产的 STC89C52RC 单片机 DDS 芯片选用 AD 公司生产的 AD9850 芯片 矩阵键盘则采用弹性小按 键自行焊制 3 3 系统总体框图系统总体框图 本系统结构为以单片机为核心 三大功能模块为主干 总体框图见下 图 3 1 系统总体设计框图 STC89C52 AD9850 键盘LCD 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 69 页 3 4 STC89C52RC 单片机单片机 STC89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储 器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼 容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 STC89C52 单片机在电子行业中有着 广泛的应用 STC89C52 单片机主要特性 1 兼容 MCS51 指令系统 2 8k 可反复擦写 大于 1000 次 Flash ROM 3 32 个双向 I O 口 4 256x8bit 内部 RAM 5 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 6 时钟频率 0 24MHz 7 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 8 2 个外部中断源 共 8 个中断源 9 2 个 读写中断口线 3 级加密位 10 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 11 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等几种封装形式 以适应不同产品的需求 STC89C51 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休或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器 外接石英晶体 或陶瓷诺振器 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稳 定性 这里选择使用石英晶休 我们的电容使用 30pF 如使用陶瓷谐振器的话 应选择 40pF 士 10pF 的容值的 电容 也可以采用外部时钟 采用外部时钟的电路的情况时 外部时钟脉冲接到 XTAL1 端 即内部时钟发生器 的输入端 XTAL2 则悬空 管脚说明 图 3 2 所示 图 3 2 STC89C52 管脚分布 1 主电源引脚 2 根 VCC Pin40 电源输入 接 5V 电源 GND Pin20 接地线 2 外接晶振引脚 2 根 XTAL1 Pin19 片内振荡电路的输入端 XTAL2 Pin20 片内振荡电路的输出端 陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 69 页 3 控制引脚 4 根 RST VPP Pin9 复位引脚 引脚上出现 2 个机器周期的高电平将使单片机复位 ALE PROG Pin30 地址锁存允许信号 PSEN Pin29 外部存储器读选通信号 EA VPP Pin31 程序存储器的内外部选通 接低电平从外部程序存储器读指令 如果接高电 则从内部程序存储器读指令 4 可编程输入 输出引脚 32 根 AT89S51 单片机有 4 组 8 位的可编程 I O 口 分别位 P0 P1 P2 P3 口 每个口有 8 位 8 根引脚 共 32 根 每一根引脚都可以编程 PO 口 Pin39 Pin32 8 位双向 I O 口线 名称为 P0 0 P0 7 P1 口 Pin1 Pin8 8 位准双向 I O 口线 名称为 P1 0 P1 7 P2 口 Pin21 Pin28 8 位准双向 I O 口线 名称为 P2 0 P2 7 P3 口 Pin10 Pin17 8 位准双向 I O 口线 名称为 P3 0 P3 7 3 5 AD9850 芯片芯片 3 5 1 AD9850 芯片简介 AD9850 是 AD 公司采用先进的 DDS 技术于 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 采用先进的 CMOS 工艺 其功耗在 3 3V 供电时仅为 155mW 温度范围为 40 85 采用 28 脚 SSOP 表面封装形式 其管脚功能如图 4 5 所示 图 4 6 是一个完整的可编程 DDS 系统 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 为 32 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 0 360 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 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 69 页 CLKIN 9 WLCK 7 FQ UP 8 RST 22 D0 4 D1 3 D2 2 D3 1 D4 28 D5 27 D6 26 D7 LOAD 25 IN 15 IN 16 V 6 V 23 V 11 V 18 IOUTB 20 IOUT 21 QOUT 13 QOUTB 14 DACBL 17 GND 5 GND 10 GND 19 GND 24 RSET 12 位位位位位 位位位位 位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位 位位位位位位 位位位位位位 位位位位 位位位位 位位位位 位位位位 DAC位位 DAC位位 位位位位 位位位位 位位 位位位 位位位 位位位 位位位 位位位位 图 3 3 AD9850 芯片管脚图 相位寄存器每过 2 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 N 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 2 M 频率 Mfc 2 O T C T N OUT f C f N 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 C T C f 查询表 查询表的输出再被截断成 10 位后输入到 DAC DAC 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 RSET 调节 调节关系为 32 1 248V RSET RSET 的典型值是 3 9k AD9850 在接上精密 SET I 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 0 0291Hz 3 5 2 AD9850 工作方式介绍 AD9850 的控制字有 40 位 其中 32 位是频率控制位 5 位是相位控制位 1 位是电源休眠控制位 2 位是工 作方式选择控制位 在应用中 工作方式选择位设为 00 因为 01 10 11 已经预留作为工厂测试用 相位控 制位按增量 180 90 45 22 5 11 25 或这些组合来调整 频率控制位可通过下式计算得到 W 2 OUT f C f 32 其中 要输出的频率值 为参考时钟频率 W 为相应的十进制频率控制字 然后转换为十六进制即 OUT f C f 可 3 5 3 相位控制字的计算 AD9850中有5 bit用于相位控制 因此 相位控制的精度为360 2 11 25 用二进制表示为00001 根 5 据实际需要 设置不同的相位控制字就可以实现精确的相位控制 AD9850 有串行和并行两种控制命令字写入 方式 图3 4是控制字并行输入的时序图 并行输入方式下 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 在FQ UD的上升沿把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 串行输入方式下 在W CLK的上升沿把一位数据串行移入 当移动40位后 FQ UD的上升沿即可更 新输出频率和相位 但是要注意的是 此时数据输入端的三个管脚不可悬空 其中D0 D1 脚接高电平 D2 脚要 接地 图3 5是相应的控制字串行输入的控制时序图 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 69 页 图 3 4 控制字并行输入时序图 图 3 5 控制字串行输入时序图 图 3 6 AD9850 结构 3 6 1602LCD 显示屏显示屏 3 6 1 液晶概述 液晶显示器 LCD 的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点 线 面并配合背部灯管构成画面 各种液 晶显示器简称液晶 不能显示汉字的液晶命名规则是以点阵的列数和行数来命名的 如本设计使用的 1602LCD 的意思是每行显示 16 个字符 共有 2 行 可以显示汉字的液晶称为图形液晶 图形液晶是以点阵的数目命名 的 每个点都可以单独控制 例如 12232 代表该液晶有 122 行 32 列的点阵 1602LCD 内置含 128 个字符的 ASCII 字符集字库 显示控制用 ASCII 码即可 3 6 2 接口信号说明 1602 液晶接口信号说明如表 3 1 所示 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS 电源地 9D2 数据口 2VDD 电源正极 10D3 数据口 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 69 页 3VO 液晶显示对比度调节 11D4 数据口 4RS 数据 命令选择 H L 12D5 数据口 5R W 读 写选择 H L 13D6 数据口 6E 使能信号 14D7 数据口 7D0 数据口 15BLA 背光电源正极 8D1 数据口 16BLK 背光电源负极 表 3 1 1602 液晶接口信号说明 3 6 3 1602 地址说明 1602LC 地址说明表如下 当向直接显示区写入数据时 液晶可立即显示出来 当向缓存显示区写入数据时 液晶不直接显示 但可通过移屏指令使其显示出来 直接显示区缓存显示区 第一行 80H 8FH90H A7H 第二行 C0H CFHD0H E7 表 3 2 1602LCD 地址说明表 3 6 4 1602 指令码说明 1602LCD 指令说明如下表 功 能 0 0 0 0 0 0 0 1 清屏 1 数据指针清零 2 所有显示清零 0 0 0 0 0 0 0 2 回车 数据指针清零 0 0 1 1 1 0 0 0 设置 16x2 显示 5x7 点阵 8 位并行数据接口 0 0 0 0 1 D C B D 1 开显示 D 0 关显示 C 1 显示光标 C 0 不显示光标 B 1 光标闪烁 B 0 光标不闪烁 0 0 0 0 0 1 N S N 1 当读或写一个字符后地址指针加 1 且光标加 1 N 0 当读或写一个字符后地址指针减 1 且光标减 1 S 1 当写一个字符时 整屏移动 以得到光标不动而屏幕移动的效果 S 0 当写一个字时 整屏不移动 表 3 3 1602LCD 指令表 3 6 5 1602LCD 写操作时序图 由于液晶显示屏为输出设备 故不需要从中读取数据 本设计只涉及写操作 未涉及读操作 故只列出写 操作时序图如下 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 69 页 图 3 7 1602LCD 写操作时序图 3 7 低通滤波器的设计低通滤波器的设计 3 7 1 低通滤波器 由于 DDS 本身的工作机制 导致了其输出信号中必然含有大量的杂散谱线 且输出波形呈阶梯状 为去除 此杂波并使输出波形平滑 故需设计无源滤波器以滤去高次谐波 3 7 2 低通滤波器的选型 设计时一般可用一个可实现的衰减来逼近理想特性 且应使衰减的变化处在所规定的容限之内 根据不同 的逼近原则和衰减特性 可选择不同响应的滤波器 低通滤波器的响应主要有三种 巴特沃斯滤波器 切比雪 夫滤波器 椭圆函数滤波器 其中巴特沃斯滤波器的响应最为平坦 它的通带内没有波纹且在靠近零频处有最 平坦的通带 而在趋向阻带时衰减单调增大 缺点是从通带到阻带的过渡带很宽 对于带外干扰信号的衰减作 用很弱 过度带不够陡峭 切比雪夫滤波器可在通带内衰减到零值 并可在一个上限值之间做等起伏的变化 阻带内衰减单调增大 带内有欺负 但过度带也比较陡峭 综合椭圆函数滤波器不仅通带内有起伏 阻带内也 有起伏 而且过渡带也比较陡峭 综合比较起来 椭圆函数滤波器性能更好 因此 本设计采用椭圆函数滤波 器 由于本设计中 DDS 芯片输出未发挥到极限频率 故芯片整体输出失真较小 波形完好 滤波器的用途以消 除高次谐波为主 相应指标要求并不严格 参考其他资料中 DDS 低通滤波器的设计 本滤波器设计指标规定如 下 通带频率阻带频率通带内波纹滤波器阶数输入阻抗输出阻抗 12MHz13 2MHz0 1dB 6 阶200 欧200 欧 表 3 4 椭圆函数低通滤波器参数 3 7 3 低通滤波器的设计 使用传统的滤波器设计方法需要大量的计算和查表 比较费时费力 故本设计采用软件设计的方法 使用 filter solution 软件 由计算机进行相关参数的计算 最后做出频率响应仿真图和滤波器电路原理图即可 Filter solution 是一款由外国软件工程师编写的小型低通滤波器设计软件 该软件将各种滤波器设计所需的 表格数据及计算公式编入软件 使用时只需选择滤波器类型并输入参数值即可得到频率响应图和多种电路设计 图 操作简单 界面友好 安装完成 filter solution 软件后 双击图标进入软件 界面如下 陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 69 页 图 3 8 filter solution 界面 此时只需在滤波器类型一栏里选择椭圆滤波器 阶数一栏里填写 6 阶 通带波纹填写 0 1dB 通带频率填 写 12MHz 然后在阻带选项栏里选择阻带频率即可 其他设置均为默认 不用更改 最后在外部电路选项里勾 选电流源选型 填写源电阻和负载电阻值均为 200 欧即可 点击电路 就会出现若干电路原理图供选 每一个 电路原理图都是正确的 但最好优先选择电感少的电路 因为电感相比电阻电容的精度较低 会影响整个滤波 器的性能 点击响应一栏里的频率响应按键 就会仿真出频率响应曲线 本设计采用的电路原理图如下 图 3 9 六阶椭圆函数滤波器电路原理图 频率响应仿真图如下 陕西理工学院毕业设计 第 19 页 共 69 页 图 3 10 频率响应仿真图 3 8 总电路原理图总电路原理图 总电路原理图如下见 附录 B 3 9 硬件调试硬件调试 将元器件按照电路原理图焊接于个模块实验板上 焊接完成后 接通电源 首先检查各指示灯是否亮起 再用万用表测量各 Vcc GND 电平是否正常 然后用示波器检查各晶振电路是否奇珍 仔细触摸各个芯片 检 查有无过度发热情况 一切检查完成后 测试单片机复位电路是否工作良好 整体实物硬件电路图如下 陕西理工学院毕业设计 第 20 页 共 69 页 图 3 11 实物硬件电路图 连接示波器后 随机选取小 中 大三个频率进行测试 检测是否能稳定输出用户要求的波形 本设计测 试频率分选 100Hz 123456Hz 12MHz 三个值 测试结果如下 陕西理工学院毕业设计 第 21 页 共 69 页 图 3 12 100Hz 示波器测试结果 陕西理工学院毕业设计 第 22 页 共 69 页 图 3 13 123456Hz 示波器测试结果 陕西理工学院毕业设计 第 23 页 共 69 页 图 3 14 12MHz 示波器测试结果 3 10 参数测量及误差分析参数测量及误差分析 3 10 1 参数测量 本设计软件与硬件关系不是十分紧密 故在完成硬件及软件调试后 联调难度不大 测试中 三个测试点 误差情况见下表 预置频率输出频率误差 100Hz 123456Hz 12MHz 表 3 5 测试点测试参数情况 3 10 2 误差分析 经分析 误差来源主要有以下几点 1 示波器本身在测量上存在误差 2 DDS 参考时钟芯片晶振误差 3 由于布线非专业布线 未考虑到布线对信号的影响 且手工焊接质量难以保证 故此造成杂波频率叠加也会影 响频率值精度 陕西理工学院毕业设计 第 24 页 共 69 页 4 软件设计 4 1 主程序流程图主程序流程图 否 是 按下取消 按下 0 9 数字键 否 按下取消 否 确认 开始 初始化程序 判断是否有键按下 判断按键值 要求用户输入频率 记录按键数值 显示按键数值 询问用户是否确定此值 判断是否有键按下 判断按键值 要求用户选择相位值 判断是否有键按下 显示频率 相位值 向 DDS 芯片发送频率控制字 完成 陕西理工学院毕业设计 第 25 页 共 69 页 图 4 1 主程序流程图 4 2 源程序源程序 源程序的编写亦采用模块化思想 全部采用在主程序中调用子程序的办法编写 并将子程序写于头文件之 中 这样做的好处是 使主程序简介易懂 并且程序的修改 调试都比较方便 由于源程序比较冗长 故此不 详述 参看附录 源程序 陕西理工学院毕业设计 第 26 页 共 69 页 总结 毕业设计师培英学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 随着科学技术的发展日新月异 单片机已经成为当今计算机应 用中空前活跃的领域 在生活中可以说是无处不在 一次作为二十一实际的大学来说掌握单片机的开发技术是 十分重要的 回顾起此次单片机毕业设计 我的感慨仍然颇多 的确 从选题到定稿 从理论到实践 在好几个星期的 日子里 可以说是苦多于甜 但是可以学到很多很多的东西 同时不仅可以巩固以前所学过的知识 而且学到 了很多在书本上没有学到的知识 通过这次设计使我懂得了理论与实践相结合是很重要的 只有理论知识是远 远不够的 只有把所学的知识与实践相结合起来 从理论中得出结论 才能真正为社会服务 从而提高自己的 实际动手能力和独立思考能力 在设计的过程中遇到问题 可以说是困难重重 毕竟在校理论学习的机会远多 于动手实践 难免会遇到各种各样的问题 同时在设计的过程中发现了自己的不足之处 对以前所学过的知识 理解的不够深刻 掌握的不够牢固 比如说不懂一些元器件的使用方法 对单片机 C 语言掌握的不熟 通过 这次毕业设计之后 一定要把以前所学过的知识重新温故 通过本次设计 我对 8051 系列单片机和 DDS 芯片的工作原理有了本质的了解 掌握了 51 单片机的引脚功 能及工作原理 对 DDS 方法造波有了更深入的了解 总体来说 获益匪浅 陕西理工学院毕业设计 第 27 页 共 69 页 致谢 持续紧张和忙碌两个多月的毕业设计终于完了 在此我特别感谢带我的指导老师 王老师 在这次毕业 设计中对我的的耐心指导和帮助 还有各位领导在此期间对我的帮助和鼓励 使我在设计的时候信心十足 感 谢学校给我门这次毕业设计的机会和其它的帮助 还有一同讨论 帮助我设计的同学表示感谢 在这次毕业设计中 老师的教导和同学们的帮助 使我受益匪浅 感谢几位舍友在我几次弄丢资料的情况 下帮助我共同完成任务 没有老师和他们的帮助 查找资料 对于我一个对单片机知识一窍不通的人来说要想 在短短的几个月的时间里学习到网络知识并完成毕业论文是很困难的事情 特此再次感谢在本次设计中所有给 予支持和帮助的人 谢谢 陕西理工学院毕业设计 第 28 页 共 69 页 参考文献 1 陈新原 龙世瑜 DDS 芯片 AD9850 的 EEP 接口设计 M 微型机与应用 2005 15 60 2 贾方亮 赵泳 郝立果等 高精度数字式移相信号发生器的研制 M 天津职业技术师范学院学报 2004 2 郭天祥 新概念51 单片机C 语言教程 M 电子工业出版社 2006 158 162 3 张有正 陈尚勤 频率合成技术 M 人民邮电出版社 1984 64 81 4 陈小忠 单片机接口技术实用子程序 M 北京 人民邮电出版社 2005 5 Coulesses L Direet Digital synthesis a tool for Periodie wave generation J IEEE Signal Processing 2004 9 21 110一112 6 求是科技 单片机典型外围器件及应用实例 M 北京 人民邮电出版社 2006 7 高卫东 AD9850 DDS 芯片信号源的研制 J 实验室研究与探索 2000 5 43 48 8 石雄 DDS 芯片AD9850 的工作原理及其与单片机的接口 J 国外电子元器件 2001 5 33 35 陕西理工学院毕业设计 第 29 页 共 69 页 附录 附录附录 A 文献原文 文献原文 Philips SemiconductorsProduct specification LM124 224 324 324A Low power quad op amps SA534 LM2902 ORDERING INFORMATION DESCRIPTIONTEMPERATURE RANGEORDER CODEDWG 14 Pin Plastic Dual In Line Package DIP 55 C to 125 CLM124NSOT27 1 14 Pin Ceramic Dual In Line Package CERDIP 55 C to 125 CLM124F0581B 14 Pin Plastic Dual In Line Package DIP 25 C to 85 CLM224NSOT27 1 14 Pin Ceramic Dual In Line Package CERDIP 25 C to 85 CLM224F0581B 14 Pin Plastic Small Outline SO Package 25 C to 85 CLM224DSOT108 1 14 Pin Plastic Dual In Line Package DIP 0 C to 70 CLM324NSOT27 1 14 Pin Ceramic Dual In Line Package CERDIP 0 C to 70 CLM324F0581B 14 Pin Plastic Small Outline SO Package0 C to 70 CLM324DSOT108 1 14 Pin Plastic Dual In Line Package DIP 0 C to 70 CLM324ANSOT27 1 14 Pin Plastic Small Outline SO Package0 C to 70 CLM324ADSOT108 1 14 Pin Plastic Dual In Line Package DIP 40 C to 85 CSA534NSOT27 1 14 Pin C