【毕业设计】dds正弦信号发生器设计

DDS正弦信号发生器设计摘要频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备之一。随着现代通信技术的发展，系统对频率合成器提出了越来越高的要求。低相位噪声、高频谱纯度、高捷变速率和高频率分辨率的频率合成器已经成为频率合成技术发展的主要趋势。直接数字频率合成DDS是继直接频率合成DS和锁相环频率合成PLL之后出现的新的频率合成方法，己被广泛地应用于通信、雷达、电子对抗和仪器仪表等领域。本文首先介绍了频率合成的概念、发展以及直接数字频率合成技术DDS的现状和发展趋势。分析了DDS的工作原理及其基本结构，然后根据系统指标合理地采用了DDS技术，以AD9851芯片为核心，设计了一种结构简单性能优良的信号发生器。详细分析了该信号发生器的系统结构、软硬件设计和具体电路实现。信号发生器的硬件部分包括三个模块，分别是信号产生和控制模块、人机交互模块和信号处理模块。软件部分主要开发基于单片机AT89S52的数据处理和控制程序，以及信号发生器的外部通信程序。完成实验电路板的制作，并通过电路板的调试，实验电路工作正常。根据系统的最终测试结果可知该信号发生器具有输出信号波形种类多、精度高、频带宽等特点。最后针对课题对频率源合成性能的要求，对相位噪声的抑制和杂散性能的优化进行了深入的分析，并对比实际电路提出了设计的改进建议和方案。关键字信号发生器,DDS,AD9851DDSSINESIGNALGENERATORDESIGNABSTRACTFREQUENCYSYNTHESIZERISONEOFTHEMOSTIMPORTANTPARTSUSEDINMODEMCOMMUNICATIONANDELECTRONICSYSTEMSWITHTHEDEVELOPMENTOFMODEMCOMMUNICATIONTECHNIQUES,FREQUENCYSYNTHESIZERISREQUIREDTOHAVEHIGHERPERFORMANCESUCHASWIDEBAND,FASTFREQUENCYSWITCHINGSPEED，LOWSPURIOUSLEVEL，PUREOUTPUTSPECTRUM,HIGHRESOLUTION，ETCDIRECTDIGITALSYNTHESISDDSISANEWFREQUENCYSYNTHESISTECHNOLOGYCOMINGAFTERDIRECTFREQUENCYSYNTHESISDSANDPHASELOCKEDLOOPFREQUENCYSYNTHESISPLLITSWIDELYUSEDINSUCHFIELDSASRADAR,COMMUNICATION，ELECTRONICWARFAREANDELECTRONICMEASUREMENTINSTRUMENTTHISPAPERFIRSTLYINTRODUCESTHECONCEPTANDDEVELOPMENTOFFREQUENCYSYNTHESIS,ASWELLASTHEPRESENTSITUATIONANDTHETRENDOFDEVELOPMENTOFTHEDIRECTDIGITALFREQUENCYSYNTHESISTECHNOLOGYDDSITHASANALYZEDTHEPRINCIPLEANDTHEBASICSTRUCTUREOFDDS，THENACCORDINGTOTHETARGETSYSTEM,ASIGNALGENERATORWITHTHEBRIEFSTRUCTUREANDEXCELLENTPERFORMANCEISDESIGNEDWITHADOPTINGDDSTECHNOLOGY,WHICHISBASEDONTHEADCOMPANYSDDSCHIRAD9851THESYSTEMSTRUCTURE,THEDESIGNOFSOFTWAREANDHARDWAREANDTHEWAYTOREALIZETHECIRCUITRYOFTHESIGNALGENERATORISANALYZEDINDETAILTHEHARDWAREOFTHESIGNALGENERATORCONSISTSOFTHREEBLOCKS,THOSEARESIGNALGENERATEMODULE、KEYBOARDANDLCDDISPLAYMODULE、SIGNALPROCESSINGMODULESOFTWAREOFTHESYSTEMMAINLYFOCUSESONTHEDESIGNOFC51INCLUDINGCONTROL,DATAPROCESSING,COMMUNICATION,ANDSOONTHECORRESPONDINGPCBHASBEENMADEANDDEBUGGEDTHEWHOLECIRCUITWORKSWELLTHESIGNALGENERATORHASMANYVIRTUES,SUCHASGENERATINGMULTIPLESORTSOFSIGNALS,HIGHPRECISIONANDWIDEFREQUENCYWIDTHTHENOISEINVERSIONANDOPTIMIZATIONOFSPURIOUSSUPPRESSIONCHARACTERISTICAREANALYZEDINDEPTHACCORDINGTOREQUIREMENTOFTHESYNTHETICPERFORMANCEATLAST,THISPAPERPROPOSESIMPROVEMENTPROGRAMBYCOMPARINGTHEACTUALCIRCUITSKEYWORDSSIGNALGENERATOR,DDS,AD9851目录摘要IABSTRACTII1绪论111课题研究背景及意义1111课题研究背景1112课题研究意义112国内发展现状213本文的主要工作22DDS信号发生器设计概述321DDS原理介绍322DDS移相原理43电路设计531设计思路532元件选型533系统总体框图534AT89S52单片机5341时钟电路7342复位电路8343单片机控制电路图835AD9851芯片9351AD9851芯片简介9352AD9851工作方式介绍10353相位控制字的计算10354单片机与AD9851的接口11361602LCD显示屏12361液晶概述12362接口信号说明123631602地址说明133641602指令码说明133651602LCD写操作时序图1437低通滤波器的设计14371低通滤波器14372低通滤波器的选型144信号发生器的软件设计1541程序流程图1542LCD1602初始化程序流程图165系统的仿真和调试176展望与总结1961设计总结1962设计展望19致谢20参考文献21附录I22附录II231绪论11课题研究背景及意义111课题研究背景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。112课题研究意义在电子技术日新月异的形势下，信息技术随之迅猛发展，信息是存在与客观世界的一种事物现象，人们正是通过信息的获取，存储，传输和处理等来不断认识和改造世界的，而信号作为信息的载体，是指带有信息的随时间或其他自变量变化的物理量或物理现象，信号时使用极为广泛的基本概念，无论是在自然科学领域，还是在社会科学领域都存在大量的应用研究问题。直接数字频率合成（DIRECTDIGTIALSYNTHESIZER,简称DDS）技术是一种新的全数字的频率合成原理，它从相位的角度出发直接合成所需波形。这种技术由美国学者JTIERCY,MRDER和BGOLD于1971年首次提出，但限于当时的技术和工艺水平，DDS技术仅仅在理论上进行了一些探讨，而没有应用到实际中去，近30年来随着超大规模集成（VERYLARGESCALEINTEGRATION,简称VLSI）,复杂可编程逻辑器件（COMPLEXPROGRAMMABLELOGICDEVICE,简称CPLD,现场可编程门阵列（FIELDPROGRAMMABLEGATEARRAY,简称FPGA）等技术的出现以及对DDS理论的进一步探讨，使得DDS得到了飞速的发展。由于其具有频率转换快，分频率高，频率合成范围快，相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用与产生频率快，分辨率高，相位可控的信号，广泛应用于电子测量，调频通信，电子对抗等领域。近年来已有DDS技术的波形发生器陆续被研制，生产和投入。12国内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。13本文的主要工作本论文的任务是根据DDS信号发生器的特点和应用情况，结合新一代高性能芯片设计一种使用简单、性能优良的信号发生器。整个系统以单片机AT89S51控制，DDS芯片AD9851为核心，配置相应的外设及接口电路，用C语言开发，组成一个多功能的信号发生器。本文的主要工作如下1根据课题提出的指标和要求进行研究，分析其可行性。2对系统的各个功能模块进行了深入的分析和研究，在对课题所采用的方案进行详细的研究后设计了具体的功能电路。3熟悉所选择的各集成电路芯片并完成具体电路的设计、PCB板布局与模块结构设计，对各模块电路进行了精心调试。4对系统的最终指标进行了测试，针对系统的不足，进行了分析并提出了一些改进的方法。2DDS信号发生器设计概述21DDS原理介绍DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理可用图21来表示。相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器KFG时钟FC图21DDS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22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22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。N位加法器N位相位寄存器频率控制字K输出序列NFC图22相位累加器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。22DDS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0360之间。例如在图23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图23相位示意图若输出信号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31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。32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INTEL公司生产的AT89S52系列单片机。DDS芯片选用AD公司生产的AD9851芯片。33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。总体框图见下键盘LPF单片机AD9851带宽放大器LCD显示基准频率图31系统总框图34AT89S52单片机AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBYTES的可反复擦写的FLASH只读程序存储器和256BYTES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MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。AT89S52单片机主要特性1兼容MCS51指令系统28K可反复擦写大于1000次）FLASHROM；332个双向I/O口；4256X8BIT内部RAM；53个16位可编程定时/计数器中断；6时钟频率024MHZ；72个串行中断，可编程UART串行通道；82个外部中断源，共8个中断源；92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。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XTAL1XTAL2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32所示图32ATC89S52管脚分布1主电源引脚（2根）VCCPIN40电源输入，接5V电源GNDPIN20接地线2外接晶振引脚（2根）XTAL1PIN19片内振荡电路的输入端XTAL2PIN20片内振荡电路的输出端3控制引脚（4根）RST/VPPPIN9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/PROGPIN30地址锁存允许信号PSENPIN29外部存储器读选通信号EA/VPPPIN31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）AT89C52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（PIN39PIN32）8位双向I/O口线，名称为P00P07P1口（PIN1PIN8）8位准双向I/O口线，名称为P10P17P2口（PIN21PIN28）8位准双向I/O口线，名称为P20P27P3口（PIN10PIN17）8位准双向I/O口线，名称为P30P37341时钟电路图33时钟电路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1MHZ24MHZ内选择。电容取30PF左右。AT89C52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稳定性，这里采用电容30PF，晶振采用110592MHZ。342复位电路AT89S52的外部复位电路有上电自动复位和手动按键复位。上电复位电容充电来实现。手动按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。按键电平复位电路是在普通RC复位电路的基础上接一个有下拉电阻100K、上拉电容10F接VCC,电源由开关接至复位脚（和上拉电容并联），上拉电容支路负责在“上电”瞬间实施复位；开关通过100K下拉电阻分压器，保证对单片机实施按键电平复位。电路图如下图所示图34复位电路AT89S52手动复位原理是利用电容的充放电实现的，当开关断开时，电容就会通过电源进行充电，由于利用的是5V直流电源因此不能通过电阻进行放电，电路处于断开的状态，单片机处于低电平，不具有复位功能，当开关闭合后，单片机就会接到一个瞬间的复位高电平，就会产生复位。电容也会通过电阻放电。上电自动复位就是，当单片机在开机时就会接到一个默认的高电平使其进行复位。上电自动复位只能是单片机进行开始工作是进行。343单片机控制电路图AT89S52的控制电路由时钟电路和复位电路组成，他们分别是给单片机提供外部时钟和进行单片机复位。其原理图如图35单片机控制电路原理图。图35单片机控制电路原理图P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，P10和P12分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P10/T2）和时器/计数器2的触发输入（P11/T2EX），在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器。能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。35AD9851芯片351AD9851芯片简介AD9851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，AD9851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。AD9851采用先进的CMOS工艺,其功耗在33V供电时仅为155MW,温度范围为4085,采用28脚SSOP表面封装形式。其管脚功能如图36所示。是一个完整的可编程DDS系统,包含了AD9851的主要组成部分。AD9851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0360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。CLKIN9W7FQ_UP8RST2D041356/OAVBGE位图36AD9851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N每经过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2/M，频率MFC/2，、分别为外部参考时钟的周期和频OTCOUTFCFNCTF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321248V/RSET,RSET的典型值SETI是39K。AD9850在接上精密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00291HZ。352AD9851工作方式介绍AD9851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180,90,45,225,1125或这些组合来调整。频率控制位可通过下式计算得到W/231OUTFC3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OUTF后转换为十六进制即可。353相位控制字的计算AD9851中有5BIT用于相位控制。因此，相位控制的精度为360/21125，用二进5制表示为00001，根据实际需要，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37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38是相应的控制字串行输入的控制时序图。图37控制字并行输入时序图图38控制字串行输入时序图图39AD9851结构354单片机与AD9851的接口单片机与AD9851的接口既可采用并行方式,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,本文重点介绍其并行方式的接口。P31I/O方式并行接口I/O方式的并行接口电路比较简单,但占用单片机资源相对较多,图311是I/O方式并行接口的电路图,AD9851的数据线D0D7与P1口相连,FQ_UD和W_CLK分别与P2310引脚和P2411引脚相连,所有的时序关系均可通过软件控制实现。图310AT89S52与AD9851的电路连接图361602LCD显示屏361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。362接口信号说明表311602液晶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9D2数据口2VDD电源正极10D3数据口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/L13D6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3631602地址说明1602LC地址说明表如下，当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，但可以通过移屏指令将其显示出来。表321602LCD地址说明表直接显示区缓存显示区第一行80H8FH90HA7H第二行C0HCFHD0HE73641602指令码说明表331602LCD指令表功能00000001清屏1数据指针清零2所有显示清零00000002回车数据指针清零00111000设置16X2显示，5X7点阵，8位并行数据接口3651602LCD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。图391602LCD写操作时序图37低通滤波器的设计371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。372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表34椭圆函数低通滤波器参数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12MHZ132MHZ01DB6阶200欧200欧4信号发生器的软件设计在应用系统中，系统软件的设计是建立在具体硬件电路基础之上，根据系统功能要求可靠地实现系统的各种功能。好的软件设计能够充分发挥微控制器的运算和逻辑控制功能，从而提高仪器的精度和使用的方便性。41程序流程图通过程序预置频率，并实现对频率步进的控制，处理用户由键盘键入的频率值，判断是否超出范围，生成频率控制字，经并行方式送入DDS，合成用户所需的频率，并通过程序实现频率的显示。程序流程图如下开始初始化AT89C51AD9851初始化LCD1602初始化键盘扫描正弦发生显示及数据输出结束NY图41主程序流程图42LCD1602初始化程序流程图开始显示第一行内容设定第二行位置显示第二行内容设定第一行位置1602初始化图42LCD1602初始化流程图5系统的仿真和调试在仿真过程中，由于在PROTEUS元件库中没有AD9851芯片，也没有其他的DDS芯片可以代替，所以在仿真过程中，我只做了LCD的显示模块的仿真，其仿真结果如下开始仿真，按下按键1，LCD上第一行会显示WAVE第二行会显示F图51仿真结果1依次按下按键2，LCD会显示SINE,并会显示一个频率和频率控制字。图52仿真结果2图53仿真结果36展望与总结61设计总结首先利用AD9851芯片进行正弦信号发生器设计，大大简便了设计的难度，也充分体现了DDS的应用，不仅具有可读写性，而且具有可操作性，输出精度高，再利用椭圆低通滤波器大大的减小了输出信号失真。总之不管是再设计成本，还是在工程应用中，都有很不错的效果。其次对AD9851的控制是利用AT89S52单片机进行串口通信，最大化的利用了单片机资源，接下来介绍系统硬件部分设计，包括单片机最小系统，AD9851构成的DDS模块设计，LCD液晶显示和键盘的输入，到最后的低通滤波器的输出五个小部分。然后通过单片机键入程序来控制整个系统的运行。最后介绍整个系统的调试过程，再设计过程都是严格按照模块进行设计，并且在连接好之后进行每个模块调试和测试，最后对整个系统进行调试。在这个过程中发现问题，并且问题都得到解决。从问题的发现到最后的解决，给我很大的启示，在今后的学习中更加努力。62设计展望在当今电子技术的快速发展，人们对信息的需求越来越大，从信息的输入，存储，处理和传输都向自动化转变，因此对设备的要求就会越来越高。对于数字化产品的需求很大，直接数字频率合成器（DDS），是一种全新的数字频率合成器，由于其具有频率转换快，分频率高，频率合成范围快，相位噪声低且相位可控制的优点，因此，DDS技术常用与产生频率快，分辨率高，相位可控的信号，广泛应用于电子测量，调频通信，电子对抗等领域。近年来已有DDS技术的波形发生器陆续被研制，生产和投入。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。致谢毕业设计完成的主要工作是完成单片机控制AD9851产生正弦波形信号，并能在LCD上显示出相对应的频率，且使频率在05MHZ的范围内能以1HZ为步长进行调整。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，以单片机作为控制的核心，实现了单片机与个功能模块的连接。根据设计方案，详细地阐述了单片机的控制原理、AD9851及个功能模块的使用方法，设计了相应的硬件电路和系统软件，并且制作了相应的系统PROTEUS仿真。结果表明，所设计的电路和软件能完成基本的测试功能。由于PROTUES原件库中没有AD9851，因此在仿真过程中只有仿真控制部分，而其他部分在PROTEL中进行。整个毕业设计的过程都是在马令坤老师的指导下完成，感谢马老师对我毕业设计的指导，马老师认真负责，在毕业设计过程中交给我们好多知识，马老师知识渊博，做事严谨。在我们的今后学习和生活中会有很大的帮助。参考文献1张毅刚，彭宇，赵光权单片机原理及接口技术C51编程M北京人民邮电出版社，201155592马忠梅单片机的C语言应用程序设计M北京北京航空航天大学出版社，19971011083陈新原,龙世瑜DDS芯片AD9850的EEP接口设计M微型机与应用,2005,15604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,20045郭天祥新概念51单片机C语言教程M电子工业出版社,2006,1581626张有正，陈尚勤频率合成技术M人民邮电出版社1984,64817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,20058COULESSESLDIREETDIGITALSYNTHESISATOOLFORPERIODIEWAVEGENERATIONJIEEESIGNALPROCESSING，2004，921110一1129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,200610高卫东AD9850DDS芯片信号源的研制J实验室研究与探索,20005434811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,20015333512张毅刚，彭宇，赵光权单片机原理及接口技术C51编程M北京人民邮电出版社，2011555913马忠梅单片机的C语言应用程序设计M北京北京航空航天大学出版社，199710110814阎石数字电子技术基础（第五版）M北京高等教育出版社,200615周立功EDA实验与实践M北京北京航空航天大学出版社，2007附录I硬件原理图附录II程序INCLUDEINCLUDEINCLUDESBITAD9851_W_CLKP22/P22口接AD9851的W_CLK脚/PIN7SBITAD9851_FQ_UPP21/P21口接AD9851的FQ_UP脚/PIN8SBITAD9851_RESTP20/P20口接AD9851的REST脚/PIN12SBITAD9851_BIT_DATAP17/P17口接AD9851的D7脚/PIN25/P1为8位数据口/AD9851复位并口模式/VOIDAD9851_RESETAD9851_W_CLK0AD9851_FQ_UP0/REST信号AD9851_REST0AD9851_REST1AD9851_REST0/AD9851复位串口模式/VOIDAD9851_RESET_SERIALAD9851_W_CLK0AD9851_FQ_UP0/REST信号AD9851_REST0AD9851_REST1AD9851_REST0/W_CLK信号AD9851_W_CLK0AD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/FQ_UP信号AD9851_FQ_UP0AD9851_FQ_UP1AD9851_FQ_UP0/向AD9851中写命令与数据并口/VOIDAD9851_WR_PARRELUNSIGNEDCHARW0,DOUBLEFREQUENCEUNSIGNEDCHARWLONGINTYDOUBLEX/计算频率的HEX值X4294967295/180/适合180M晶振/180为最终时钟频率（或30M六倍频）FREQUENCEFREQUENCE/1000000FREQUENCEFREQUENCEXYFREQUENCE/写W0数据WW0P1W/W0AD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W1数据WY24P1W/W1AD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W2数据WY16P1W/W2AD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W3数据WY8P1W/W3AD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W4数据WY0P1W/W4AD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/移入始能AD9851_FQ_UP1AD9851_FQ_UP0/向AD9851中写命令与数据串口/VOIDAD9851_WR_SERIALUNSIGNEDCHARW0,DOUBLEFREQUENCEUNSIGNEDCHARI,WLONGINTYDOUBLEX/计算频率的HEX值X4294967295/180/适合180M晶振/180为最终时钟频率（或30M六倍频）FREQUENCEFREQUENCE/1000000FREQUENCEFREQUENCEXYFREQUENCE/写W4数据WY0FORI0IIAD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W3数据WY8FORI0IIAD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W2数据WY16FORI0IIAD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W1数据WY24FORI0IIAD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/写W0数据WW0FORI0IIAD9851_W_CLK1AD9851_W_CLK0/移入始能AD9851_FQ_UP1AD9851_FQ_UP0/测试程序1000HZ/MAINP00X00P10X00P20X00P30X00/并行写1000HZ程序/AD9851_RESET/AD9851_WR_PARREL0X01,1000/0X01为开六倍频/AD9851_WR_PARREL0X00,1000/0X00为不开六倍频/串行写1000HZ程序AD9851_RESET_SERIALAD9851_WR_SERIAL0X01,500000/0X01为开六倍频/AD9851_WR_SERIAL0X00,1000/0X00为不开六倍频/WHILE1LCD的显示程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITLCDRSP32SBITLCDRWP33SBITLCDEP34SBITDP27SBITS1P20SBITS2P21SBITS3P22SBITCSP35SBITWRP36UCHARSLNUM,A,YS,JUINTFREVOIDDELAYUINTZUINTI,JFORIZI0IFORJ110J0JVOIDDELAY1UINTYUINTIFORIYI0IUCHARCODETOSIN2560X80,0X82,0X85,0X88,0X8B,0X8E,0X91,0X94,0X97,0X9A,0X9D,0XA0,0XA3,0XA,0XA9,0XAC,0XAF,0XB2,0XB6,0XB9,0XBC,0XBF,0XC2,0XC5,0XC7,0XCA,0XCC,0XC,0XD1,0XD4,0XD6,0XD8,0XDA,0XDD,0XDF,0XE1,0XE3,0XE5,0XE7,0XE9,0XEA,0XE,XEE,0XEF,0XF1,0XF2,0XF4,0XF5,0XF6,0XF7,0XF8,0XF9,0XFA,0XFB,0XFC,0XFD,0XFD,0XFE,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XF,0XFE,0XFD,0XFD,0XFC,0XFB,0XFA,0XF9,0XF8,0XF7,0XF6,0XF5,0XF4,0XF2,0XF,0XEF,0XEE,0XEC,0XEA,0XE9,0XE7,0XE5,0XE3,0XE1,0XDE,0XDD,0XDA,0XD8,0XD6,0XD4,0XD1,0XCF,0XCC,0XCA,0XC7,0XC5,0XC2,0XBF,0XBC,0XBA,0XB7,0XB4,0XB,0XAE,0XAB,0XA8,0XA5,0XA2,0X9F,0X9C,0X99,0X96,0X93,0X90,0X8D,0X89,0X8,0X83,0X80,0X80,0X7C,0X79,0X76,0X72,0X6F,0X6C,0X69,0X66,0X63,0X60,0X5,0X5A,0X57,0X55,0X51,0X4E,0X4C,0X48,0X45,0X43,0X40,0X3D,0X3A,0X38,0X3,0X33,0X30,0X2E,0X2B,0X29,