基于单片机的任意波形发生器的设计

本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 1 页 共 39 页 1 1 绪论绪论 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 11 1 课题背景及意义课题背景及意义 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 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 2 页 共 39 页 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 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 21 2 课题设计要求课题设计要求 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 3 页 共 39 页 2 2 DDSDDS 技术的介绍技术的介绍 2 12 1 任意波形发生器的设计原理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 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 2 22 2 DDSDDS 技术内部的简介技术内部的简介 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 4 页 共 39 页 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 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 MC Qualcomn Q3236 LMX2325 LMX2326 LMX2330 等 这些公司的生产 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 5 页 共 39 页 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 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 min f 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 max f 间 也常用相对带宽来衡量频率范围 式 2 1 100 2 min max minmax ff ff f 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 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 6 页 共 39 页 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 32 3 DDSDDS 技术理论技术理论 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 sin ty 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 sin xy 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 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 7 页 共 39 页 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 N 2 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 clk N f K f 2 0 DDS 最小频率分辨率是 clk N ff 2 1 min 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 42 4 EDAEDA 技术技术 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 相位控制寄存器 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 8 页 共 39 页 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 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 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 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 CAD CAM CAT CAEEDA 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 9 页 共 39 页 3 3 总体方案论证总体方案论证 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 13 1 系统方案系统方案 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 10 页 共 39 页 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 23 2 设计方案论证设计方案论证 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SfCW 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 0 f 0 f 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 要求输出任 CW f 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 0 f 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SfCW N 22 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 图 3 1 DDS 原理框架 输 出 相位累加器 N 波形查 找表 DACLPF 采样点数 控制字 S 参考时 钟源 fC 频率控制 字 fcw fO 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 39 页 4 4 硬件电路设计硬件电路设计 4 14 1 系统硬件结构图系统硬件结构图 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 图 4 1 系统硬件结构图 系统各个硬件模块的功能 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 39 页 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 24 2 核心器件介绍核心器件介绍 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 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 39 页 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 10 P3 1 11 P3 2 12 P3 3 13 P3 4 14 P3 5 15 P3 6 16 P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 P4 5 30 EA Vpp 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 VCC 40 U4STC89C52 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 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 14 页 共 39 页 图 4 3 AD9833 模块外形图 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 34 2 3 ICL7660ICL7660 电源转换芯片电源转换芯片 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 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 LM358 还有个好处就是 LM358 也能对输出信号进 行放大的一个芯片 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 39 页 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 34 3 硬件设计单元硬件设计单元 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 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P30 RX D 10 P31 TX D 11 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P36 WR 16 P37 RD 17 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 RST 9 X TA L2 18 X TA L1 19 G ND 20 PSEN 29 A LE 30 EA 31 V CC 40 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 39 IC1 STC89C52 X TA L1 X TA L2 RST P30 P31 P32 P33 P34 D AT CLK FSY NC P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 T1 12MH Z C1 30PF C2 30PF X TA L1 X TA L2 R1 10K C3 10U F 1 1 2 2 K 1 RST P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 V CC V CC V CCG ND G ND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 5 1K G ND P25 P26 P27 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 39 页 BOOT 1 CAP 2 GND 3 CAP 4 VOUT 5 LV 6 OSC 7 VCC 8 u22 ICL7660 10uF C6 Cap Pol1 GND 10uF C7 Cap Pol1 GND VCC VCC 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 39 页 3 2 1 411 U1A LM358 1K R1 Res2 GND 1K R2 Res2 R3 RPot SM IN OUT 5V 5V 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 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 39 页 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 S1S2S3S4 GND 光光光光光光光光光光光光 P10P11P12P13 图 4 10 按键工作电路 5 5 控制部分软件设计控制部分软件设计 5 15 1 控制软件总体设计流程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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 19 页 共 39 页 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 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 N Y 开始 结束 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 20 页 共 39 页 图 5 1 主要流程图 5 25 2 DDSDDS 模块的设计过程模块的设计过程 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 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 21 页 共 39 页 如图 5 2 DDS 模块流程图 5 35 3 键盘扫描程序设计键盘扫描程序设计 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 N Y N Y 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 22 页 共 39 页 图 5 3 键盘扫描的流程图 5 45 4 液晶显示的流程图液晶显示的流程图 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 6 系统调试系统调试 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 16 1 系统硬件实物图系统硬件实物图 本系统硬件实物图如图 6 1 所示 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 23 页 共 39 页 图 6 1 硬件实物图 6 26 2 液晶显示界面液晶显示界面 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 36 3 示波器显示输出波形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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 24 页 共 39 页 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 25 页 共 39 页 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 26 页 共 39 页 图 6 7 示波器显示 234Hz 的三角波 6 46 4 实验结果分析实验结果分析 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 27 页 共 39 页 结束语 通过这几个月的设计实践中 最终完成了这个任意波形发生器的设计 自己确 实付出了许多汗水 但最终收获许多 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 开始我对编程一窍不通 但为了这个设 计 我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 我认 为只要自己花费了时间 就一定会得到眷顾的 之后再根据框图一步步的完成开始 构想的要求 最后完成了老师安排的任务 但是其中也有一起错误 比如实现的波 形不是那么完美 不能显示老师提出的递增的正弦信号 虽然这次没有完成的很好 在以后我会更加的充实自己的知识 这个设计能更好的让同学们分析各个波形的特 性跟产生 可它由于频率值有误差 会使波形有点失真 由于本人的能力有限 在 芯片的选择上过于简单跟廉价 以至于有好多改进措施 比如能产生一些不周期的 波形 一次显示多种波形等 我会在接下来的时间慢慢修改的 最后感谢老师让我 来做这个设计 我也会尽力完成的 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 28 页 共 39 页 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 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 29 页 共 39 页 参 考 文 献 1 赵文博 新型常用集成电路速查手册 M 北京 人民邮电出版社 2006 2 童诗白 模拟电子技术 第三版 M 北京 高等教育出版社 2001 3 季晓衡 单片机 C 程序设计及应用实例 M 北京 人民邮电出版社 2003 7 4 张肃问 陆兆熊 高频电子线路 M 北京 高等教育出版社 1996 5 郭书军 王玉花 基于 SOPC 的 DDS 信号源的实现 J 电视技术 2005 6 潘松 黄继业 EDA 技术实用教程 第一版 M 北京 科学出版 2002 7 程佩清 数字信号处理 M 北京 清华大学出版社 2001 8 8 任光亮 吕显哉 频率捷变引信研究 J 探测与控制学报 1996 3 9 詹卫前 耿德根 Atemga8 原理及应用手册 M 北京 清华大学出版社 2003 10 王玉珍 李袁柳 直接数字式合成技术之研究 J 宇航计测技术 2004 11 陈尚松 雷加 郭庆 电子测量与仪器 M 北京 电子工业出版社 2005 12 汤汉屏 直接数字频率合成杂散抑制方法的研究 J 电讯技术 2000 13 王晓音 聂裕平 庞伟正 DDS 输出频谱杂散的抑制 J 电子对抗技 术 2003 14 康华光 电子技术基础模拟部分 M 北京 高等教育出版社 1999 15 杨波 胡建平 一种 BIN 码与 BCD 码转换电路的设计与实现信息技术 z 200 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 30 页 共 39 页 附录附录 A A 整体电路图整体电路图 原理图 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 31 页 共 39 页 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P30 RXD 10 P31 TXD 11 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P36 WR 16 P37 RD 17 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 RST 9 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 PSEN 29 ALE 30 EA 31 VCC 40 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 3