基于DDS的信号发生器设计

2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 1 基于基于 DDS 的信号发生器设计的信号发生器设计 摘 要 本设计主要有三大模块 主控制器模块 信号发生模块和液晶显示模块 采用 AT89S52 单片机为主控制器 由它来控制 DDS 芯片 AD9835 再通过 LCD12864 显示输出 信号信息 可以完成数字量输入到模拟量输出的转换 然后经运放调节电压幅度 产生 0Hz 15MHz 的正弦波 三角波和方波 最后由液晶屏显示 关键词 AT89S52 AD9851 LCD12864 1 1 课程设计任务课程设计任务 设计制作一个波形发生器 该波形发生器能产生正弦波 方波 三角波和由用户编 的特定频率的信号 键盘显示部分 微控制器 信号产生 图 1 1 设计任务要求 2 2 课程设计题目课程设计题目 多功能信号发生器设计以 DDS 为核心设计一个信号发生器 可产生方波 三角波 锯齿波 正弦波信号和单脉冲输出 技术参数 具有产生正弦波 方波 三角波三种周期性信号变化的功能 用键盘输入编辑生成上述三种波形 同周期 的频率 相位和幅度 输出信号的频率范围为 0Hz 15MHz 重复频率可调 频率步进间隔 1Hz 波形输出幅度 0 5V 可调 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 2 具有显示输出波形的类型 重复频率 周期 和幅度的功能 发挥部分 用键盘或其他输入装置产生任意波形 波形输出幅度 0 5V 可调 增加稳幅输出功能 当负载变化时 输出电压幅度比那化不大于 3 负载电阻 变化范围 100 具有掉电存储功能 可存储掉电前用户编辑的波形和设置 3 3 设计总体方案选择设计总体方案选择 本设计的核心问题是信号的控制问题 其中包括信号频率 信号种类以及信号强度 的控制 在设计的过程中 我们综合考虑了以下四种实现方案 3 1 方案一 采用 555 集成芯片函数发生器 555 可以产生可变的正弦波 方波 三角波及实现频 率控制 但由于产生的频率较低 本方案将不采用 3 2 方案二 采用低温漂 低失真 高线性单片压控函数发生器 ICL8038 产生频率 0 001 300KHZ 可变的正弦波 三角波 方波及数控频率调整 但是 由于 ICL8038 自身的限制 输出频率稳定度只有 10 3 RC 振荡器 而且 由于压控的非线性 频率 步进的步长控制比较困难 3 3 方案三 采用 MAX038 函数发生器 MAX038 是一个精密高频波形产生器 能精密地产生三角波 锯齿波 矩形波 含方波 正弦波信号 频率范围从 0 1Hz 20MHz 最高可达 40MHz 各种波形的输出幅度均为 2V P P 但由于此芯片目前已经停产 销售的价格比较昂贵 3 4 方案四 采用 DDS 波形发生技术 采用 AD9851 和单片机相结合的方式实现对频率的控制 AD9851 内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率 相位控制字 相位累加器接收来 自控制字寄存器的数据后 决定最终输出信号频率和相位的范围及精度 然后再经过内 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 3 部 D A 转换器 得到最终的数字合成信号 这个高速 DDS 芯片时钟频率可达 180MHz 输 出频率可达 70 MHz 分辨率为 0 04Hz 综合考虑其性价比 选择方案四 本设计采用 DDS 技术作为本设计的核心 不仅基 于其低成本 而且在输出频率控制方面也显得很方便 其输出的频率 幅度均可调 精 度高 分辨率低等一系列优点将是本设计方案的不二之选 4 4 单元模块设计单元模块设计 4 1 AT89C52 为核心的控制器模块 为了节约成本 本电路中采用 LQFP 封装 44 脚的单片机 该系列单片机是 51 单片机 中增强型单片机 它体积小 工作稳定可靠 功耗低 抗干扰能力强等优点 使得本设 计能顺利地完成 本电路中主要使用了该单片机的 P0 P1 P2 以及部分 P3 口 P0 口主 要是和液晶的 8 位数据口相连接 以便对液晶进行读写操作 P1 口是与 AD9851 的 8 位数 据口相连 对频率 相位控制字进行控制 P2 口中的 P2 0 P2 1 P2 2 分别与液晶的控 制引脚 RS R W E 相连 其余 5 位是和独立式键盘 S1 S2 S3 S4 S5 相连接 P3 口 中 P3 0 P3 1 分别是与 MAX232 的 9 10 引脚相连 从而进行串口通信 P3 2 是和 AD9851 中的复位引脚 22 相连 P3 6 P3 7 分别与 AD9851 的 W CLK FQ UD 两个控制 引脚相连 另外 还有单片机的第 4 引脚与一些阻容组件构成系统的复位电路 以及 14 15 引脚与外部的无源晶振构成系统振荡电路 还有 16 38 引脚是与电源相连接 以 上即为 AT89C52 的引脚在本电路中的使用分配情况 4 2 AD9851 在系统中的应用模块 由于 AD9851 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 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 此外 为了不受外界干扰 添加了不少的滤波电路 显得整个电路完美 AD9851 有并行和串行两种控制方式 本设计中采用并行控制方式 在并行输入方式 下 通过 8 位总线 D0 D7 将外部控制字输入到寄存器 在 W CLK 字输入时钟 的上升 沿装入第一个字节 并把指针指向下一个输入寄存器 连续 5 个 W CLK 的上升沿读入 5 个字节数据到输入寄存器后 W CLK 的边沿就不再起作用 然后在 FQ UD 频率更新时钟 上升沿到来时将这 40 位数据从输入寄存器装入到频率 相位寄存器 这时 DDS 输出频率 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 4 和相位更新一次 同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待下一次的频率 相位 控制字输入 并行方式由 5 组 8 位控制字反复送入 前 8 位控制输出相位 6 倍参考时钟倍频器 电源休眠和输入方式 其余各位构成 32 位频率控制字 图 4 1 AD9851 输入时序图 AD9851 在本设计中的应用电路图如下所示 D3 1 D2 2 D1 3 D0 LSB 4 PGND 5 PVCC 6 W CLK 7 FQ UD 8 REFCLOCK 9 AGND 10 AVdd 11 Rset 12 VOUTN 13 VOUTP 14 VINN 15 VINP 16 DACBP 17 AVDD 18 AGND 19 IOUTB 20 IOUT 21 RESET 22 DVDD 23 DGND 24 D7 MSB 25 D6 26 D5 27 D4 28 U1 AD9851 D0 D1 D2 D3D4 D5 D6 D7 VCC 4 NC 1 GND 2 OUT 3 U3 30M 5V 5V 5V 5V 3 9K R5 WK FD RT 104C2 104C6 104C3 104C5 104C4 1 2 P2 D 7 0 出 出 出 出 100R3 100 R4 5V 10uF C1 1 8K R6 200 R7 104C7 5V 100 R8 IB IOUT 出出出出 出出出出出出出出出 图 4 2 AD9851 应用电路图 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 5 4 3LCD12864 显示模块 由于本设计采用带中文字库的液晶 使得整个系统运行显得更加直观明了 它具有串 行 并行两种控制方式 本设计采用 8 位并行接口方式 引脚说明及在电路中的连接方式 管脚号 管脚名称电平管脚功能描述 1VSS0V 电源地 2VCC3 0 5V 电源正 3V0 对比度 亮度 调整 4 RS CS H L RS H 表示 DB7 DB0 为显示数据 RS L 表示 DB7 DB0 为显示指令数据 5 R W SID H L R W H E H 数据被读到 DB7 DB0 R W L E H L DB7 DB0 的数据被 写到 IR 或 DR 6E SCLK H L 使能信号 7DB0H L 三态数据线 8DB1H L 三态数据线 9DB2H L 三态数据线 10DB3H L 三态数据线 11DB4H L 三态数据线 12DB5H L 三态数据线 13DB6H L 三态数据线 14DB7H L 三态数据线 15PSBH L H 8 位或 4 位并口方式 L 串口方式 见注 释 1 16NC 空脚 17 RESETH L 复位端 低电平有效 见注释 2 18VOUT LCD 驱动电压输出端 19AVDD 背光源正端 5V 见注释 3 20KVSS 背光源负端 见注释 3 1 2 引脚分别与电源相连接 3 号引脚接电位器的中间部分 4 5 6 引脚是与单片 机的 P2 0 P2 1 P2 2 相连 由于采用该液晶的 8 位并行接口方式 所以 7 14 引脚与 单片机的 P0 口相连 进行数据传输 16 脚悬空 15 17 19 接 5V 电源 18 引脚接电 位器的一端 20 脚接地 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 6 图 4 3 LCD12864 显示电路图 4 4 滤波模块 由于直接从 AD9851 输出端输出的波形为阶梯波 波形不够平滑 因此 本设计中需 要在输出端设置一个截止频率为 25MHz 的低通滤波器 在 AD 公司 AD9851 的数据手册上 提供了一个截止频率为 70MHz 的椭圆低通滤波器 其电路图如下图所示 R9 200 C8 56P C9 2 7P C11 100P C15 16P C16 13P C23 56P C19 14P 10mH L1 1 5uH 10mH L2 1 2H 10mH L3 1 2H R11 200 图 4 4 滤波电路图 在该电路图上运用反归一化的方法进行更改就可以得到所需的电路 可以省却进行 查表计算的麻烦 该滤波器的 3dB 截止频率为 f1 70MHz 与要求的 3dB 截止频率 f0 25MHz 相比 频率标定系数 FSF 为 FSF f0 f1 25 70 0 36 4 1 将 70MHz 截止频率的滤波器的电感 电容值同时除以 FSF 即可得到 25MHz 截止频率的椭 圆低通滤波器 如图 2 4 所示 25MHz 椭圆低通滤波器的组件值为 L1 470nH FSF 470nHx2 8 1 32uH L2 390nH FSF 390nHX2 8 1 09uH L3 390nH FSF 390nH 2 8 1 09uH C1 22pF FSF 22pFX2 8 61 6pF 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 7 C2 1pF FSF 1pFPFX2 8 2 8PF C3 33PF FSF 33PFX2 8 92 4PF C4 5 6PF FSF 5 6PFX2 8 15 68PF C5 22PF FSF 22PFX2 8 13 16PF C6 4 7PF FSF 4 7PFX2 8 13 94PF C7 22PF FSF 22PFX2 8 61 6PF 该滤波器对组件值要求不高 可使用 10 误差的电感和 5 电容即可 将上述元器件取为 标称值 则 Ll 1 5uH L2 1 2uH L3 1 2uH Cl 56pF C2 2 7pF C3 100PF C4 16PF C5 13PF C6 14PF C7 56PF 4 5 供电模块 在电路中并没有自带 5V 稳压电源模块 为了减小线路板的面积 节约制作成本 因 此 用 USB 代替系统供电 这样不仅可以减少线路板的使用面积 而且 USB 供电也比较 稳定 所受干扰也比较小 另外 电路中还留出了 5V 电源的接口 这样可以方便其它 5V 电源的接入 电路如下图所示 Header 20 1 4 P6 USB D1 DIODEST1R12 1K F1 LED 5V 22uF C25 104 C26 1 2 P7 5V 图 4 5 供电模块电路图 4 6 通信模块 由于所用的单片机为 LQFP 封装 所以在下载程序的时候 本电路中使用了串口下载 因为计算机上的电平为 232 电平 而本电路中所用的是 TTL 电平 所以在进行通信时需 要一电平转换电路 电路中使用 MAX232 芯片及其电容构成一个转换电路 如下图所示 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 8 C1 1 VDD 2 C1 3 C2 4 C2 5 VEE 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U4 MAX232EPE 10uFC18 10uFC20 10uF C17 10uFC24 RD TD 5V GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 J 232 图 4 6 通信模块电路图 4 7 4 4 键盘输入模块 由于 STC89C51 芯片中 I O 口内置上拉电阻 所以在制作键盘模块时可以不 加电阻 本模块包括 16 个键位 用来选择波形和调节类型 调节所选波形的类 型参数 确认输出和返回主菜单 键盘电路如下图 图 4 7 键盘输入模块电路图 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 9 5 5 系统电路设计系统电路设计 整体原理图 D3 1 D2 2 D1 3 D0 LSB 4 PGND 5 PVCC 6 W CLK 7 FQ UD 8 REFCLOCK 9 AGND 10 AVdd 11 Rset 12 VOUTN 13 VOUTP 14 VINN 15 VINP 16 DACBP 17 AVDD 18 AGND 19 IOUTB 20 IOUT 21 RESET 22 DVDD 23 DGND 24 D7 MSB 25 D6 26 D5 27 D4 28 U1 AD9851 C1 1 VDD 2 C1 3 C2 4 C2 5 VEE 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U4 MAX232EPE 12 XTAL 30p C14 30p C10 10K R10 10uF C12 104 C13 S6 5V 10uFC18 10uFC20 10uF C17 10uFC24 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3D4 D5 D6 D7 VCC 4 NC 1 GND 2 OUT 3 U3 30M 5V 5V 5V 5V 3 9K R5 WK FD RT 104C2 104C6 104C3 104C5 104C4 RD TD R9 200 C8 56P C9 2 7P C11 100P C15 16P C16 13P C23 56P C19 14P L1 1 5uH L2 1 2H L3 1 2H R11 200 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 10K R1 5V 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 P1 Header 20 5V 5V 5V 5V 10KR2 Vout Vout RS RW E S1 S2 S3 S4 1 2 P2 1 2 P5 D 7 0 出 出 出 出 出 出 出 出 出 5V GND 1 4 P6 USB D1 DIODE ST1R12 1K F1 LED 5V 100R3 100 R4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 J 232 5V 22uF C25 5V 104 C21 5V 104 C22 104 C26 S5 P1 5 1 P1 6 2 P1 7 3 RST 4 RXD P3 0 5 P4 3 INT2 6 TXD P3 1 7 INT0 P3 2 8 INT1 P3 3 9 T0 P3 4 10 T1 P3 5 11 WR P3 6 12 RD P3 7 13 XTAL2 14 XTAL1 15 VSS 16 P4 0 17 A8 P2 0 18 A9 P2 1 19 A10 P2 2 20 A11 P2 3 21 A12 P2 4 22 P2 5 A13 23 P2 6 A14 24 P2 7 A15 25 PSEN 26 ALE PROG 27 P4 1 28 EA 29 P0 7 AD7 30 P0 6 AD6 31 P0 5 AD5 32 P0 4 AD4 33 P0 3 AD3 34 P0 2 AD2 35 P0 1 AD1 36 P0 0 AD0 37 VDD 38 P4 2 INT3 39 P1 0 T2 40 P1 1 T2EX 41 P1 2 42 P1 3 43 P1 4 44 U2 STC89C52 RD TD WK FD RT RS RW E 5V 10uF C1 1 2 P4 1 8K R6 200 R7 104C7 5V 100 R8 IB IB IOUT IOUT1 1 2 3 P3 IOUT IB IOUT1 1 2 P7 5V 图 5 1 系统整体电路图 6 6 系统使用操作说明系统使用操作说明 实物的使用主要是通过按键进行操作的 本电路中共设置了 5 个独立式键盘 分别为 S1 功能键 S2 上切键 S3 下切键 S4 加号键 S5 减号键 程序下载之后 给系统上电 液晶上面便显示三种模式状态 分别为定频模式 扫频 模式 跳频模式 光标默认在定频模式上闪烁 可通过 S2 S3 进行上下选择 当光标停 留在哪个位置时 按下功能键 S1 即可进入相应的模式 另外 在每个模式界面上都设有 上下模式选择按钮 默认情况下 光标都在上模式按钮上闪烁 此时 可通过 S2 S3 来 选择光标闪烁的位置 1 定频模式 所谓定频模式 就是在输出频率范围内设定任意一个频率值 即可输出相应的频率 在定频模式中主要有步进值的设定和输出频率的设定 在对输出频率设定时 可先设定 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 10 一下步进值 这样有助于快速设定相应频率值的大小 例如设定一个 1 5MHz 的频率 在 初始界面下 先通过 S2 选择光标到设定步进值的位置 然后通过 S4 选择步进值为 1MHz 再把光标跳到设定频率的位置 按下 S4 把频率加到 1MHz 按下 S3 把光标返回到 设定步进值的位置 按下 S5 把步进值减小为 100KHz 按下 S2 再次把光标跳到设定频率 的位置 按下S4 继续增加所设定的频率值 一直加到 1 5MHz 最后按下功能键 S1 即 可输出相应的频率 2 扫频模式 所谓扫频模式 就是在设定的初始 终止频率范围内 按照所设定的时间和增量循环 输出相应的频率 在扫频模式中 主要设有初始频率 终止频率以及扫描时间 除了这 些还有步进值和扫频增量的设定 由于液晶界面大小有限 所以把这两个放在另一个界 面上 在扫频初始界面上有一个中间按钮 可通过这个中间按钮进入次界面 操作的方 法是当光标在这个按钮上闪烁时 按下 S1 即可进入 返回时也是采用这种方法 对于扫 频界面上的设定和定频界面上设定的方法一样 可先设定步进值和扫频增量 然后再设 定初始频率和终止频率 最后设置一下扫描时间 并按下 S1 即可进行扫频 3 跳频模式 所谓跳频 就是在一定的输出频率范围内 按照一定的方式 输出不同的频率 在跳 频界面上 设有跳频增量和跳频时间间隔 其对应的操作和上面的一样 最后在设定跳 频间隔时 按下 S1 即可进行跳频输出 注 注 在扫频和跳频模式中 最后按下 S1 后 其他按键就被屏蔽了 再次按下 S1 时即 可恢复 与此同时 扫频与跳频也就终止了 在定频模式中没有 只有切换到其他模式 时 结束定频输出 7 7 总结总结 通过本次课程设计我们认识到自己的在学习上的严重不足 加深了对单片机原理及 其接口技术这一课程的更深入的了解 通过查找书本 上网查找资料 与同学探讨 筛 选出对自己有用的信息 在整个过程我们真正学到了课堂上没有领悟以及没有学到的知 识 此次课程设计让我们深入懂得了本课程知识在实际中的灵活运用 我们将继续好好 学习本课程 努力掌握更多的有用的知识 同时我们也认识到设计知识的不容易和自己 各项能力的欠缺 我们会在以后的学习中更加注意基础知识的巩固和动手能力的应用 在实践中培养兴趣 巩固知识 2 20 00 09 9 级级 电电子子信信息息工工程程 专专业业 集集成成电电路路原原理理及及应应用用 课课程程 设设计计 11 此外 随着集成电路和计算机技术的迅速发展 使电子仪器的整体水平发生巨大变 化 传统的仪器逐步的被智能仪器所取代 智能仪器的核心部件是单片机 因其极高的 性价比得到广泛的应用与发展 从而加快了智能仪器的发展 而传感器作为测控系统中 对象信息的入口 越来越受到人们的关注 传感器好比人体 五官 的工程模拟物 它 是一种能将特定的被测量信息 物理量 化学量 生物量等 按一定规律转换成某种可 用信号输出的器