论文-基于ad9850信号发生器

ENGLISHTITILEABSTRACTTHISPAPERDESIGNEDASIGNALGENERATORMAINLYBASEDONDIRECTDIGITALFREQUENCYSYNTHESISDDSPRINCIPLETHEFREQUENCYVALUEISINPUTBYTHEKEYBOARD,USING51SINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLOFAD9850TYPEDDSDEVICETOPRODUCESINEANDSQUAREWAVESIGNALTHESINUSOIDALSIGNALFREQUENCYRANGEIS50HZ9MHZ,SQUAREWAVESIGNALFREQUENCYRANGEIS50HZ5MHZTHEDESIGNEDSIGNALGENERATORHASTHEFEATURESOFTHESIGNALGENERATORFORDIGITALTYPEFREQUENCYVALUE,CANACCURATELYANDQUICKLYPROCESSINGFREQUENCYINTHECONTROLOFDIGITALPROCESSOR,THEFREQUENCYRANGEOFSIGNALGENERATION,HIGHPRECISION,FASTTRANSFORM,THEOUTPUTWAVEFORMDISTORTION,HIGHSTABILITY,ANDTHROUGHTHEDEVICECONTROLPROGRAMMINGANDSIMPLEEXTERNALCIRCUITSWITCHINGISRELATEDTOPRODUCEAVARIETYOFMODULATIONSIGNALKEYWORDSDDSMCUAD9850HIGHACCURACYHIGHSPEED目录1绪论111设计背景112设计目标213项目可行性研究32方案设计与论证321电源模块422控制模块423显示模块424信号产生模块53电路设计631电源设计632单片机最小系统硬件设计633AD9850驱动电路的设计934液晶显示电路124软件设计1441主流程图1442关于AD9850的控制程序1543键盘扫描控制程序165安装与调试1951硬件调试1952软件调试2553误差分析25总结25致谢26参考文献28附录29附录A电路原理图29附录B实物图30附录C部分源程序311绪论标题1，黑体小三11设计背景标题2，黑体四号信号源是电子产品测量与调试、部队设备技术保障等领域的基本电子设备。随着科学技术的发展和测量技术的进步，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。图11DDS基本原理框图（图号字体为5号，图居中）如图11所示的就是DDS芯片的基本原理框图，DDS是精密信号发生器的首选技术，它产生的波形精度高、失真小、频率变换速度快。DDS的参考时钟源必须具有稳定性高的特点，它的精密相位累加器的累加速度是通过改变频率控制字来控制的，再将取样得到的相位值通过相位幅度查找表转换成该相位对应的幅度值，把这些幅度值进行D/A变换和低通滤波后即可得到对应频率的模拟正弦波2。相位累加器一个正弦波，虽然它的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的。DDS正是利用了这一特点来产生正弦信号。根据DDS的频率控制字的位数N，把360度平均分成了2N等份。相位幅度转换利用相位累加器，我们已经得到了合成输出频率所对应的关于相位的信息，然后通过相位与幅度转换器把0360的相位转换成与其相对应的幅度值，这个幅度值以二进制数的形式被发送到DAC中。通过相位到幅度的查找表能找到对应相位所映射的幅度。DAC输出DAC接收到幅度所对应的二进制数字信号后，把这个数字信号转换成对应的模拟信号并输出。要注意的是频率控制字的位数决定了输出频率的分辨率，而DAC的位数对输出频率的分辨率并不影响3。（参考文献上标）12设计目标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和方波的发生，其中频率值通过键盘输入并通过液晶显示该值，在有余力的基础上尽可能的实现锯齿波、矩形波。根据成本和各方面综合考虑，本设计中采用的DDS芯片是AD9850，实现50HZ9MHZ的精确正弦波的输出和50HZ4MHZ的精确方波的输出，且该方波的占空比和幅度均可调；利用44键2方案设计与论证本设计方案采用AD9850芯片的并行数据模式，系统框图如图21所示。图21系统总体设计框图系统包含电源电路、单片机电路、AD9850芯片、低通滤波器电路及信号输出电路共5部分。其中单片机电路部分选用通用的51系列单片机STC89C52，外AD9850正弦波矩形波AD9850内部比较器1602液晶显示电源模块单片机4X4矩阵键盘部晶振频率为12MHZ。基准时钟采用直插封装1250000MHZ有源晶振，为AD9850芯片提供高稳定度，高精确度的信号源。21电源模块方案一采用直流稳压电源，一般由电源变压器、整流电路、滤波电路及稳压电路组成，电路较简单；方案二系统采用电池供电，便于移动，简单方便，但是电量随时间发生变化，对产生信号的准确度有干扰；综合单片机与AD9850芯片对电源的需要，选择方案一。22控制模块方案一采用PLC单片机作为主控元件，实现对整体的控制；PLC是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强，故障率低，易于设备的扩展，便于维护，开发周期短，但是成本相对较高；方案二采用ATMEL公司的STC89C52单片机作为主控元件。STC89C52端口结构是准双向并行口，可兼有外部并行总线，扩展性能比较强大，其内部硬件可用特殊功能寄存器对其进行编辑。该中央处理器体积小，价位低，功耗低，性能高；结合实际情况选择方案二。23显示模块方案一采用1602液晶显示，可以识别英文字母、阿拉伯数字，方便显示各类提示字符，显示直观，操作简单，价格相对较高；方案二采用数码管，寿命长，价格便宜；但操作相对复杂，且需要显示的字符多，需要对较多位数码管进行操作，相对麻烦；显示效果不直观；综合需要多位同时显示字母和数字的需要，选择方案一。24信号产生模块方案一采用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。方案二采用反馈型LC振荡原理，选择合适的电容、电感就能产生相应的正弦信号。此方案器件比较简单，但是难以达到高精度的程控调节，而且稳定度不高，故不采用。方案三利用专用直接数字合成DDS芯片制作的函数信号发生器,综合考虑，芯片选择的是AD9850；AD9850主要工作性能51单电源工作33V或5V；2接口比较简单，相位及频率调制数据可通过串行口或并行口直接写入；3芯片内部有高速比较器以及高性能数模转换器，能输出方波和正弦波；4频率转换速率极快，可达23107次/秒；5外部固定时钟最高为125MHZ，因为频率控制字为32位，所以125MHZ的工作时钟对应的频率分辨率可以达到00291HZ；6相位调节的控制字为5位，能实现相位不同功能的调制；7工作温度范围宽4085；综合AD9850的以上优点，本设计采用方案三，作为09MHZ正弦和方波信号发生。3电路设计31电源设计电源模块主要包含变压器、滤波电路和稳压电路，具体原理图如图31所示表311602液晶接口信号说明（表头在上方，居中5号字）编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VO液晶显示对比度调节4RS数据/命令选择端5R/W读写选择端6E使能信号7D0数据口8D1数据口9D2数据口10D3数据口11D4数据口12D5数据口13D6数据口14D7数据口15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极4软件设计程序设计主要包括单片机驱动程序、1602液晶显示驱动程序、键盘扫描程序和AD9805控制字的计算处理程序四部分组成；本章节主要介绍和AD9850相关的子程序及键盘扫描程序；41主流程图根据本设计包含的几个模块的工作时序和逻辑关系，对整体程序的流程做了详细的整理，如下图41所示。其中初始化程序包括单片机初始化程序、1602液晶初始化、AD9850芯片初始化和键盘初始化程序，主要逻辑顺序按照判断键盘的按键是否被按下以及是否是确定键被按下展开的，当被按下的键不是确定键时，执行判断键值并显示的操作，当确定键被按下时，则按照输入的相应频率控制AD9850芯片输出相应频率的正弦波和方波。否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判断是否是确定键否是是图41主程序流程图42关于AD9850的控制程序AD9850的工作模式包括串行和并行两种，串行模式下单片机用于传输控制字的端口小，但反应时间稍长，效率不高；并行模式下单片机用于传输控制字的端口多，但效率高；由于有两种不同的工作模式，每种工作模式下AD9850的初始化和传输控制字的程序是不同的。本设计使用AD9850的并行工作方式，根据AD9850并口模式接收控制字的时序要求，每传输一次控制字之前都要对AD9850的W_CLK、W_CLK_、REST引脚进行相应的设计，程序如下/AD9850复位并口模式/VOIDAD9850_RESETAD9850_W_CLK0AD9850_W_CLK0/REST信号AD9850_REST0AD9850_REST1AD9850_REST0记录按键数值显示按键数值向DDS芯片发送频率控制字完成AD9850控制字的计算根据参考时钟有固定的算式，当输入想要的频率后，根据算式即可获得相应频率的控制字，然后再根据传输控制字的时序即可完成单片机计算并传输控制字到AD9850的任务，相应程序如下/向AD9850中写命令与数据并口/5安装与调试51硬件调试将元器件按照电路原理图焊接于各个模块实验板上。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，然后用示波器检查晶振电路是否正常。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，整体连接图如图51所示图51测试整体连接图首先测试的是正弦波，分别测试50HZ、1000HZ和9MHZ的波形，通过测试发现正弦波在50HZ9MHZ的没有产生失真，且对于将要产生的信号的误差非常小，可以忽略不计，具体测试如下图5258所示。图5250HZ正弦波图531KHZ正弦波图549MHZ正弦波由于方波的频率保真范围相对于正弦波要小，所以选择方波的频率为50HZ、1000HZ、5MHZ和9MHZ的波形测试，经过测试，发现频率达到4MHZ的时候出现少许失真，当到达9MHZ的时候失真非常明显。图5450HZ方波图551KHZ方波图561MHZ方波图575MHZ方波图589MHZ方波测试数据统计如下表2所示表2测试数据统计50HZ1KHZ1MHZ5MHZ9MHZ正弦波499704HZ999964HZ999986KHZ499992MHZ899999MHZ方波499705HZ999964HZ999985KHZ499992MHZ899999MHZ通过表中的数据我们可以看到，本信号发生器输出的频率和想要获得的频率基本接近，存在的误差很小，基本可以忽略不计；在本文后面我们将分析产生误差的原因。52软件调试软件部分的调试主要包括键盘扫描、液晶显示和AD9850驱动程序的调试，输入频率测试频率波形先分模块分别测试各个部分，然后组合在一起进行测试；由于键盘扫描、液晶显示这两个模块之前都使用过，所以程序的编写比较顺利，没遇到什么大错误；但AD9850芯片之前没有接触过，编程时对这个芯片的工作时序进行了多次尝试才最终掌握，在这个芯片控制字的类型这个问题是也进行了多次尝试才找到合适的类型。53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；2DDS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。总结毕业设计是培养在校大学生综合运用所学的知识，发现、提出、分析并解决实际问题、锻炼学生实践能力的非常重要的环节，这个过程是对学生的实际工作能力的具体训练和考察。在这次毕业设计中，我通过通用型单片机STC89C52单片机，完成了基于高精度DDS芯片的正弦波、方波信号发生器的设计与检测。回顾这次单片机毕业设计，我的感慨很多，确实，从选题到定题，从理论再到实践，在这好几个星期的时间里，可以说是苦多于甜，但是我的确学到了很多东西，这段时间我巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有学到的知识。例如，如何对单片机的硬件资源进行合理分配，如何选择合适的芯片来完成自己的设计，还有如何快速高效的查阅资料等等。除此之外，我感觉最重要的是，本次设计不仅仅锻炼了我的动手能力，并且让我感觉到，只有将学到的知识应用到实践当中去，才能够更加深刻和透彻的理解这些知识当中所蕴含的真理。因此，通过这次设计使我深刻的明白了理论与实践相结合的重要性，只有把所掌握的理论知识与实践结合起来，才能真正的服务社会、服务人民，进而提高自己的实际动手能力和独立思考问题的能力。在设计的过程中遇到很多的问题，毕竟在学校学习理论知识的机会较多，缺乏动手能力的锻炼，因此会遇到不少的问题，但在老师同学的帮助下，使我少走了不少弯路。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，主要是对以前所学的知识理解的是很深刻，掌握不够牢固，比如对一些元器件的使用方法不是很清楚，对一些开发软件的操作不够熟练等。在以后的学习工作中，我一定要努力掌握所学的新知识，并且学会温故知新。本次的毕业设计，让我对51单片机和DDS芯片的工作原理有了更深的了解，总体来说，获益匪浅；当然，由于个人学习能力和理解水平有限，设计之中还有很多不足的地方需要改进，真诚希望老师指正致谢参考文献1田汉平，基于FPGA的函数信号发生器设计D，湘潭大学，20082陈继德，数字化测试技术及其在漏电开关检测仪中的应用D，华东师范大学，20053李翔宇，基于AVR系列单片机的多功能信号发生器的设计J,科学之友,201214户永清，基于DDS的简易正弦信号发生器设计J,四川文理学院学报自然科学,20091955左利勇，频率合成技术及