正弦信号发生器论文

1、20122012 全国大学生电子设计竞赛全国大学生电子设计竞赛论文论文题目题目: : 正弦信号发生器正弦信号发生器论文编号：论文编号：参赛学校：参赛学校：黑龙江科技学院黑龙江科技学院参赛学生：参赛学生：刘继红、李春广、杨文跃刘继红、李春广、杨文跃指导教师：指导教师：沈显庆沈显庆二二一二一二 年年 五五 月月目 录 目目 录录引言引言 .21方案论证与设计方案论证与设计 .3 1.1单片机选型 .3 1.2频率合成模块 .4 1.3显示部分设计方案 .52原理分析与硬件电路图 .52.1直接数字频率合成模块 .62.2功率放大模块 .83软件设计软件设计与与流程流程 .103.1系统软件介绍 .

2、104系统测试与误差分析系统测试与误差分析 .114.1测试环境 .114.2调试与测试所用仪器 .114.3测试方法 .124.4测试数据 .124.5误差分析 .145总总 结结 .14参考文献参考文献 .15附录附录 .15低频数字式相位测量仪0正弦信号发生器正弦信号发生器摘要摘要：本系统基于直接数字频率合成技术；以ATMEL 公司的 AT89S52单片机为控制核心；采用宽带运放AD811 使得 50 负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V1V；通过单片机改变频率字实现调频信号；系统的频率范围在1kHz 10MHz； 输出信号频率稳定度优于10-4；最小步进为100Hz； 用

3、示波器观察时无明显失真。关键词关键词：频率测量 功率放大 滤波 DDS Abstract:The system is based on direct digital frequency synthesizer; ATMEL Corporation AT89S52 microcontroller for the control of the core; broadband operational amplifier AD811 makes the 50 load resistor sinusoidal signal of the output voltage peak - Vopp = 6V 1

4、V; FM through the microcontroller to change the frequency of wordsignal; system in the frequency range of 1kHz to 10MHz; output signal frequency stability better than 10- 4; the minimum step of 100Hz; no significant distortion of the oscilloscope.Keywords:Frequency measurement power amplifier filter

5、ing DDS 低频数字式相位测量仪1引言引言信号发生器是科研、教学实验及各种电子测量技术中很重要的一种信号源，随着科学技术的迅速发展，对信号源的要求也越来越高，要求信号源的频率稳定度、准确度及分辨率要高、以适应各种高精度的测量，为了满足这种高的要求，各国都在研制一些频率合成信号源，这种信号源一般都是由一个高稳定度和高准确度的标准参考频率源，采用锁相技术产生千百万个具有同一稳定度和准确度的频率信号源，为了达到高的分辨率往往要采用多个锁相环和小数分频技术，因此使电路复杂、设备体积圈套、成本较高，传统的频率合成器由于采用倍频、分频、混频和滤波环节，使频率合成技术（ DDS） ，与传统的频率合成技术

6、相比，DDS 具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点、成为现代频率合成技术中的佼佼者，得到越来越广泛的应用，成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。本文介绍一种以AT89S52、 AD9850 和 AD811 为核心器件的DDS 正弦信号发生器。AD9850 是一款专业极的正弦信号产生器件。它的特点正如上文所述的，电路整体结构简单，输出信号波形好，控制简单，而且易于实现程控。低频数字式相位测量仪21方案论证与设计方案论证与设计给出总体方案，列举出关键技术，分别对关键技术阐述方案。 图 1.1 系统模块框图1.1单片机选型单片机选型 选用

7、ATMEL 公司的 AT89S52 单片机。51 系列是单片机的主流系列，51 系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，软硬件应用设计资料丰富齐全。为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立 CPU，即选择 Atmel 公司的 AT89S52 单片机。AT89S52 是低功耗，高性能，采用 CMOS 工艺的 8 位单片机。其片内具有 8KB 的可在线编程的 Flash 存储器。该单片机采用了 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储器技术，与工业标准型AT89S52 单片机的握住系统和引脚完全兼容；片内的 Flash 存储器可在线重新编程；通

8、用的 8 位 CPU 与在线可编程 Flash 集成在一块芯片上，从而使 AT89S52 功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛低频数字式相位测量仪3的应用前景。AT89S52 单片机具有如下特性：片内存储器包含 8KB 的 Flash，可在线编程，擦写次数不少于 1000 次；具有 256 字节的片内 RAM；具有可编程的 32 根 I/O 口线（P0、P1、P2 和 P3 口） ；具有 3 个可编程定时器 T0，T1 和 T2；内含 2 个数据指针 DPTR0 和 DPTR1；中断系统是具有 8 个中断源、6 个中断矢量、2 级优先权的中断结构；串

9、行通信口是 1 个全双工的 UART 串行口；2 种低功耗节电工作方式为空闲模式和掉电模式；具有 3 级程序锁定位；含有 1 个看门狗定时器；具有断电标志 POF；AT89S52 的工作电压为 4.05.5V；全静态工作模式为 03MHz（AT89S52）和 016MHz（AT89LS52） ；与 MCS-51 产品完全兼容。1.2频率合成模块频率合成模块方案一：锁相环频率合成。如图 1.2，锁相环主要由压控 LC 振荡器，环路滤波器，鉴相器，可编程分频器，晶振构成。且频率稳定度与晶振的稳定度相同，达10-5，集成度高，稳定性好；但是锁相环锁定频率较慢，且有稳态相位误差，故不采用。 图 1.2

10、 锁相环的基本原理方案二: 直接数字频率合成。直接数字频率合成 DDFS（Direct Digital 低频数字式相位测量仪4Frequency Synthesizer）基于 Nyquist 定理，将模拟信号采集，量化后存入存储器中，通过寻址查表输出波形数据，再经 D/A 转换，滤波，恢复原波形。DDFS 中大部分部件都属于数字电路，集成度高、体积小、功耗低、可靠性、性价比高，易调试，输出线性调频信号相位连续，频率分辨率高，转换速度快，价格低。其频率稳定度和可靠性优于其它方案，故采用该方案。1.31.3 显示部分设计方案显示部分设计方案方案一：采用 12864LCD 虽然人机界面友好，但其成本

11、过高，在本实验中使用过于浪费。方案二：通过 4 个 LED 数码管进行动态显示。数码管的成本低，节省 IO 口，但是电路复杂，本系统采用 4 个 LED 数码管进行动态显示可以实现频率显示的功能。 2原理分析与硬件电路图原理分析与硬件电路图1、硬件设计AT89S52单片机从键盘获得输入信息，控制 DDFS 芯片 AD9850,产生预置频率和相位的正弦信号；经低通滤波器滤除谐波分量及杂散信号后得到较纯的正弦波，经功率放大模块使输出信号峰-峰值稳定在6V1V 范围内。以上系统的基本结构，配以系统框图如图2.1所示，硬件连接图如图2.2：低频数字式相位测量仪5图2.1 系统结构框图P1.0/T21P

12、1.1/T2EX2P1.23P1.34P1.45P1.5(MOSI)6P1.6(MISO)7P1.7(SCK)8RST9P3.0(RxD)10P3.1(TxD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119VSS20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE30EA/VPP31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5

13、)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39VCC40U1AT89S5212X1C433pFC5 33pF123456789P1Header 9+5GNDKP1R151k+5GNDGNDRSTSCKMOSIMISOC1010uFD7FQ_UDW_LCKRESETR1470R2R3R4R7R8R9R10f10g5e1d2c4dp3b7a11DIG112DIG29DIG38DIG46DS1Q1PNPQ2PNPQ3PNPQ4PNPR114.7kR12R13R14+5D1D2R164.7kR174.7kP32P33图2.2 系统硬

14、件连接图2.12.1 直接数字频率合成模块直接数字频率合成模块随着数字技术的飞速发展，用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术，即直接数字频率合成（DDS）技术异军突起。美国 AD 公司推出的高集成度频率合成器 AD9850AD9850 便是采用 DDS 技术的典型产品之一。AD9850AD9850 采用先进的 CMOS 工艺，其功耗在3.3V 供电时仅为155mW，扩展工业级温度范围为-4080，采用28脚 SSOP 表面封装形式。图2-3为 AD9850的组成框图。图2-3中层虚线内是一个完整的可编程 DDS 系统，外层虚线内包含了 AD9850的主要组成部分。低频数字式相位测量仪

15、6 图2-3 AD9850的组成框图AD9850AD9850 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 一般为2432。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 以输出模式量。相位寄存器每过2N/M 个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相位地正弦查询表每消

16、费品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 To=Tc2N/M，频率 fout=Mfc/2N，Tc、fc 分别为外部参考时钟的周期和频率。AD9850AD9850 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 再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 ISET=32(1.148V/RSET)，RSET 的典型值是3.9k。AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之间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

17、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；并具有5位相位控制位，而且允许相位按增量180、90、45、22.5、11.25或这些值的组合进行调整。微控制器相 位控制字相位累加器 DAC LPF正弦波输出 比较器频 率控制字相 位寄存器正 弦查询表方波输出低频数字式相位测量仪7D31D22D13D04V+6WLCK7FQ_UD8CLKIN9GND10V+11RSET12QOUT13QOUTB14IN-15IN+16DACBL17V+18IOUTB20IOUT21RST22V+23GND5D7

18、 /LOAD25D626D527D428GND19GND24U2AD9850BRS12345678910P2Header 10IOUTBQOUTBQOUT+5R18100R5200R6200C622pFC733pFC822pFC11pFC25.6pFC34.7pFC922pFL2390nHL1470nHL3390nHZ_OUT1IOUTCLKINC15104C16104C13104C12104C17104123R2510kR211kZ_OUT1R223.9kIOUTBIOUTQOUTQOUTB+5VINN+5+5VINN+5CLKIN1234U3125M振振振振RESETRESETZ_OUT1

19、W_LCKFQ_UDFQ_UDD7D7C1410uFC1110uFW_LCK图2.4AD9850及滤波器电路2.22.2 功率放大模块功率放大模块功率放大部分我们选择集成宽带高性能运放 AD811。AD811为电流反馈型宽带运放，其单位增益带宽很宽，12V 供电，增益为+10的情况下，-3 dB 带宽达100MHz,非常适合本系统的宽带放大要求，且输出电流可达100mA，完全可满足题目峰峰值要低频数字式相位测量仪8求，外围电路也很简单，避免了采用三极管放大电路容易出现调试困难的情况，可靠性大大提高。电路见图2.5，实际制作中应注意电路中各电阻电容应紧密靠近AD811的相应引脚，去耦电容必不可少

20、，各电阻电容也最好选用贴片封装的，且焊接线应尽可能短，避免分布电容电感而引起高频自激。326741, 5, 8U1AD811AN+12-12R350(1W)GNDC310uFGNDR4560C1470uFC2104GNDC4470uFC5104OUTIN123R110K+12-12GNDINOUT12345P1Header 5123R21kGND图2.5 功率放大电路图2.6 功率放大模块实物图低频数字式相位测量仪93软件设计与流程软件设计与流程3.1系统软件介绍系统软件介绍AT89S52单片机完成对AD9850的控制 。 AD9850有 40位控制字， 32位用于频率控制，5位用于相位控制。

21、1位用于电源休眠（Power down）控制， 2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD9850，由于单片机IO 口个数有限，所以本系统采用的是串行输入方式。在串行输入方式，W-CLK 上升沿把 25引脚的一位数据串行移入，当移动40位后，用一个FQ-UD 脉冲即可更新输出频率和相位。图 3-1应的控制字串行输入的控制时序图。 图3-1 控制字串行输入的时序图其主程序流程图如图3-2W0W1W2W3W39DATA-FQ_UDW_CLK 40W_CLK CYCLES低频数字式相位测量仪10图3-2单片机主程序流程图4 4 系统测试与误差分析系统测试与误差分析4.14

22、.1 测试环境测试环境时间：2012 月 5 日温度：25C04.24.2 调试与测试所用仪器调试与测试所用仪器（1）数字示波器 TEKTRONIX TDS1001B（2）数字万用表（3）AT89S52 单片机频率步进制加减频率步进制加减低频数字式相位测量仪114.34.3 测试方法测试方法(1) 模块测试将系统的各模块分开测试，调通后再进行整机调试，提高调试效率。(2) 系统整体测试将硬件模块和相应的软件的进行系统整机测试。依据设计要求，分别对输出波形、输出电压峰峰值、输出频率和功率放大器输出测试。测试输出电压的峰峰值时，对放大电路参数的适当调整使输出频率在 1kHz10MHz之间变化时能够

23、满足 Vpp6V1V。4.44.4 测试数据测试数据基本要求测试A 正弦波频率范围测试接50 负载，对输出电压测试，测试数据如表4.1：表4.1 输出电压测试数据设置频率 (Hz)实测频率 (Hz)Vpp(V)1k999.986.1210k1000016.12100k100K6.21M1.0002M6.6810M10.0003M5.3B 频率稳定度测试负载为 50 ，采用频率计对输出正弦波进行计数，测试数据如低频数字式相位测量仪12表 4.2 ：表4.2 输出正弦波测试数据设置频率 (Hz)第一次计数数值第二次计数数值第三次计数数值1k1.0001k999.98999.9810k10.0000

24、k10.0001k10.0001k100k100 0000k100.0000k100.0001k1M1.0001M1.0001M1.0001M5M5.00005M5.00004M5.00004M10M10.00002M10.00002M10.00001M4.54.5 误差分析误差分析测试结果分析：系统测试指标均达到要求，部分指标超过题目要求：正弦波输出频率：1kHz 10MHz ；输出信号频率稳定度：优于 1 0 -4 , 达到 10 -5 ；存在误差为人为误差、硬件误差、测量仪器误差、杂散引入误差。在数字式移相信号发生电路中，由于锁相环的稳定度的影响，波形的微小振荡就会使得输出和设定值之间存

25、在输出偏差，同时由于 D/A 转换过程中不可避免的存在量化误差，所以产生的波形幅值与频率将会与设定的预期值形成一定的误差。由于通用板本身结构的限制，以及电路中两路信号的串扰等影响，都会使得系统存在一定的误差。减小误差可从改变电路，提高仪器精度，减弱外界干扰和多次测量取平均值等方面改善。5 5 结论结论低频数字式相位测量仪13本设计采用 AT89S52 单片机作为主控制器，采用 DDFS 方式直接产生宽带线性调频信号，经过测试，该方案在各方面均获得了较高的指标，证实了该方案的可行性和前瞻性，同时也证实了 AT89S52 单片机在控制方面的优越性，和 AD9850 在相位噪声、杂散抑制度、谐波抑制

26、度方面的良好表现。基本完成了题目的基本部分和发挥部分，部分指标甚至超过了设计要求。但是，系统也存在有待改进之处，如通过提高系统中滤波器的阶数来改善输出信号的失真度，及减少干扰信号的引入。参考文献参考文献1 张肃文 , 陆兆熊 . 高频电子线路 . 第三版 M 高等教育出版社， 1992.2 谢自美 . 电子线路设计实验测试 . 第二版 M 武汉：华中理工出版社， 2000.3 薛栋梁. MCS-51/52/251 单片机原理与应用（一）M. 中国水利水电出版社. 2001.54 薛栋梁. MCS-51/52/251 单片机原理与应用（二）M. 中国水利水电出版社. 2001.55 康华光. 数

27、字电子技术基础M. 高等教育出版社. 2002.3附录附录低频数字式相位测量仪14123P1DZ 3 3.81mmD11N4007D31N4007D41N4007D21N4007D51N4007+12+5-12-5+5123654SW1SW-Lock123654SW2SW-Lock123654SW3SW-Lock123654SW4SW-Lock+12-12+5-5C1470uFC4104R1470D6LEDC2470uFC3470uFC8470uFC7470uFC6470uFC5104C9104C10104IN12OUT3GNDU178xxIN12OUT3GNDU278xxIN21OUT3GN

28、DU379xxIN21OUT3GNDU479xxsignal123P2Header 3signal1234P3Header 2X21234P4Header 2X21234P5Header 2X21234P6Header 2X2R2470R4470R3470D7LEDD9LEDD8LED1234567891011 12P7Header 6X2 直流稳压电源电路图低频数字式相位测量仪15稳压电源实物图低频数字式相位测量仪16正弦信号发生器实物图低频数字式相位测量仪17# include # include sbit ad9850_w_clk =P23; /P2.2 口接 ad9850 的 w_cl

29、k 脚/PIN7sbit ad9850_fq_up =P22; /P2.1 口接 ad9850 的 fq_up 脚/PIN8sbit ad9850_rest =P21; /P2.0 口接 ad9850 的 rest 脚/PIN12sbit ad9850_bit_data =P20; /P1.7 口接 ad9850 的 D7 脚/PIN25sbit pinlvjia = P32;sbit pinlvjian = P33;sbit KHZ = P10;/KHz 单位sbit MHZ = P11;/MHz 单位unsigned char code smg=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb

30、0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;unsigned long pinlv = 0; /*/ ad9850 复位(串口模式) /-/void ad9850_reset_serial()ad9850_w_clk=0;ad9850_fq_up=0;/rest 信号ad9850_rest=0;ad9850_rest=1;ad9850_rest=0;/w_clk 信号ad9850_w_clk=0;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/fq_up 信号ad9850_fq_up=0;低频数字式相位测量仪18ad9850_fq_up=1;ad9

31、850_fq_up=0;/*/ 向 ad9850 中写命令与数据(串口) /-/void ad9850_wr_serial(unsigned char w0,double frequence)unsigned char i,w;long int y;double x;/计算频率的 HEX 值x=4294967295/125;/适合 125M 晶振/如果时钟频率不为 180MHZ，修改该处的频率值，单位 MHz ！frequence=frequence/1000000;frequence=frequence*x;y=frequence;/写 w4 数据w=(y=0);for(i=0;ii)&am

32、p;0 x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/写 w3 数据w=(y8);for(i=0;ii)&0 x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/写 w2 数据低频数字式相位测量仪19w=(y16);for(i=0;ii)&0 x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/写 w1 数据w=(y24);for(i=0;ii)&0 x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/写 w0 数据w=w0; for(i=0;ii)&0 x01;ad9850_w_cl

33、k=1;ad9850_w_clk=0;/移入始能ad9850_fq_up=1;ad9850_fq_up=0;void delay(unsigned int t)while(t-);void xianshi()低频数字式相位测量仪20unsigned long xs = pinlv;if(xs 1000000)KHZ = 1;MHZ = 0;xs /= 100;P2 |= 0 xf0;P0 = smgxs/1000;P2 &= 0 xef;delay(100);P2 |= 0 xf0;P0 = smg(xs%1000)/100;P2 &= 0 xdf;delay(100);P2

34、|= 0 xf0;P0 = smg(xs%100)/10 & 0 x80;P2 &= 0 xbf;delay(100);P2 |= 0 xf0;P0 = smgxs%10;P2 &= 0 x7f;delay(100);P2 |= 0 xf0;else if(xs 10000000)KHZ = 0;MHZ = 1;xs = xs/1000;P2 |= 0 xf0;低频数字式相位测量仪21P0 = smgxs/1000 & 0 x80;P2 &= 0 xef;delay(100);P2 |= 0 xf0;P0 = smg(xs%1000)/100;P2 &= 0 xdf;delay(100);P2 |= 0 xf0;P0 = smg(xs%100)/10;P2 &= 0 xbf;delay(100);P2 |= 0 xf0;P0 = smgxs%10;P2 &= 0 x7f;delay(100);P2 |= 0 xf0;elseKHZ = 0;MHZ = 1;xs = xs/10000;P2 |= 0 xf0;P0 = smgxs/1000;P2 &= 0 xef;delay(100);P2 |= 0 xf0;P0 = smg(xs%10