论文-基于AD9850信号发生器

1、ENGLISH TITILEAbstract：This paper designed a signal generator mainly based on direct digital frequency synthesis (DDS) principle. The frequency value is input by the keyboard, using 51 single-chip microcomputer control of AD9850 type DDS device to produce sine and square wave signal. The sinusoidal

2、signal frequency range is 50 Hz9MHz, square wave signal frequency range is 50 Hz 5MHz. The designed signal generator has the features of the signal generator for digital type frequency value, can accurately and quickly processing frequency in the control of digital processor, the frequency range of

3、signal generation, high precision, fast transform, the output waveform distortion, high stability, and through the device control programming and simple external circuit switching is related to produce a variety of modulation signal.Key words：DDS MCU AD9850 High-accuracy High-speed目 录1 1 绪论绪论.- 1 -设

4、计背景.- 1 -设计目标.- 2 -项目可行性研究.- 3 -2 2 方案设计与论证方案设计与论证.- 3 -电源模块.- 4 -控制模块.- 4 -显示模块.- 4 -信号产生模块.- 5 -3 3 电路设计电路设计.- 6 -电源设计.- 6 -单片机最小系统硬件设计.- 6 -3.3 AD9850 驱动电路的设计.- 9 -液晶显示电路.- 12 -4 4 软件设计软件设计.- 14 -主流程图.- 14 -关于 AD9850 的控制程序.- 15 -键盘扫描控制程序.- 16 -5 5 安装与调试安装与调试.- 19 -硬件调试.- 19 -软件调试.- 25 -5.3 误差分析 .

5、- 25 -总结总结.- 25 -致谢致谢.- 26 -参考文参考文献献.- 28 -附附录录：.- 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.- 31 -1 绪论(标题 1，黑体小三)(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 1.1 DDS 基本原理框图（图号字体为 5 号，图居中）如图 1.1 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

6、、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，

7、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）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

8、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 4*4 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，系统框图如图所示。图 2.1 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 12 MHz。基准时钟采用直插封装 125000 0 MHz 有源晶振，为AD9850 芯片提供高稳定度，高精确度的信号源。

9、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。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

10、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。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。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

11、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5：(1)单电源工作：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 2.3107 次/秒；(5)外部固定时钟最高为 125MHz，因为频率控制字

12、为 32 位，所以 125MHz的工作时钟对应的频率分辨率可以达到；(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：-40+85；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，具体原理图如图所示： 表 3.1 1602 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

13、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；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，

14、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断是否是确定键否是是图 主程序流程图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

15、应的设计，程序如下：/ / ad9850 复位(并口模式) /-/void ad9850_reset( )ad9850_w_clk=0;ad9850_ w_clk =0;/rest 信号ad9850_rest=0;ad9850_rest=1;ad9850_rest=0;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安装与调试将元器

16、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，整体连接图如图所示：图 5.1 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，具体测试如下图所示。图 50HZ 正弦波图 1KHZ 正弦波图 9MHZ 正弦波由于方波的频率保真范围相对于正弦波要

17、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 5.4 50HZ 方波图 5.5 1KHZ 方波图 5.6 1MHZ 方波图 5.7 5MHZ 方波图 5.8 9MHZ 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92MHZ99MHZ方波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。软件部分的调试主要包括键盘扫描

18、、液晶显示和 AD9850 驱动程序的调试，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、液晶显输入频率测试频率波形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。5.3 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；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

19、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，

20、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,