【《基于STC89C51单片机的信号发生器设计》13000字（论文）】

目录-PAGEIII-基于STC89C51单片机的信号发生器设计摘要可以用信号发生器当做信号源，常见的信号源有三角波，矩形波方波等其他波形。由信号发生器产生的波形可以对它们的频率和幅度进行调整。因此信号发射器在电路实验，生产实践，机器制造等领域，被广泛应用。并且在科技领域中得到了极大的发展。本设计采用基于51单片机的DDS信号源。设计芯片ad9833采用第3代频率合成技术也就是直接数字频率合成技术，简称dds。而dds的发展也代表着第三代频率合成技术的兴起。芯片ad9833可以满足器件对波形高精度频率的要求，他还可以完成对波形类型的选择波形频率的调整以及波形幅度的调节。它的频率合成是以相位为基础的。它可以通过c语言编程来实现对波形频率的改变。它还可以通过控制波形的初始相位来改变波形的输出类型。最后通过ad8055输出缓冲放大电路来完成幅度的调整。本文着重介绍了芯片ad9833的基本工作原理、数学模型、内部构造等方面的内容。关键词：AD9833；STC89C51；DDS；信号发生器目录摘要 IAbstract II目录 III第一章引言 11.1课题的背景和意义 11.2频率合成技术的发展 11.3论文结构 2第二章系统总体设计 42.1系统结构分析 42.2系统框图 42.3系统总体流程图 52.4DDS技术 62.4.1DDS的基本原理 62.4.2DDS的性能特点 72.4.3相位累加器 82.4.4波形存储器 82.4.5DA转换器 92.4.6低通滤波器 92.5DDS数学模型 10第三章系统硬件电路设计 123.1基于单片机的信号源设计的整体电路 123.2频率控制模块 133.2.1频率合成模块的选择与分析 133.2.2AD9833功能概述 133.2.3AD9833功能概述 153.2.4AD9833的内部结构与工作原理 163.2.5信号产生模块 173.2.6与单片机的连接 183.3系统控制模块 193.3.1系统控制模块的选择与分析 193.3.2单片机STC89C51 203.3.3单片机的定时器2的功能 213.3.4单片机最小系统 233.4系统的按键与显示模块 253.4.1系统按键模块的论证 253.4.2系统显示模块的讨论 26第四章系统的软件设计与成果 284.1软件开发环境 284.2系统软件设计 284.2.1keil运行系统主程序 284.2.2keil调试AD9833模块程序 294.3系统设计成果 304.3.1电路板焊接实物图 304.3.2示波器显示输出波形 31第五章总结与展望 34参考文献 35附录A程序主要部分源代码 38附录B程序使用说明书 39第一章引言-PAGE4-第一章引言课题的背景和意义自上世纪末至今，随着现代科技的发展，信号源的设计在电路设计，电子元件等领域的重要性越来越高。如果说以前人们对科技产物的要求是可以做什么，有什么功能的话，那么在高速发展的今天，人们更关注的是该科技产物能在其领域能做到何种程度。也就是说，以前是将理论付诸于实践，现在是在实现理论的基础上追求更加精细化，高智能化。就拿手机举个例子，在以前，手机只是作为通讯工具，能打电话发短信就好了；现在嘞，各大手机厂商的手机卖点是什么？是性能，是操作的流畅度，而且在年轻人眼里，手机的重量外观等也是重要的考虑因素。因此，在这种追求科技精细化的时代背景下，传统的信号源已然不能满足现在人们的要求。因此，直接数字频率合成技术（DDS）出现了，通过直接数字频率合成技术做成的信号源，成本低，稳定性强，功能强大，体积小，还能实现对输出波形扥调控，可谓物美价廉。其实DDS技术在上个世纪就出现了，但是当时技术水平较低，DDS并没有用武之地，没能发挥出其应用价值。现如今单片机等设备的发展越来越成熟，DDS技术也得到了前所未有的发展，所以本设计将采用单片机来控制DDS来实现信号源的设计。如今更方便和更便捷的仪器越来越成为人们的需要。而且对于传统仪器来说，仪器的便携化，智能化和数字化越来越重要。通常信号源产生正弦波，方波三角波。有些系统过于复杂，需要数字信号发生器和模拟信号发生器通过特定的波形来完成检测。频率合成技术的发展频率合成技术于上世纪三十年代就早早的产生了，其雏形是由简单的晶体振荡器电路产生频率，基于当时的设备与技术水平，它只能做到一个晶体产生一个频率值，由此需要大量的晶体来进行频率合成，不仅成本高，体积大，其稳定性与精准度也不尽人意。因此人们考虑是否可以通过少量的晶体来完成对多个频率值的输出。慢慢的，相干合成法就发展起来了。DFS也就是直接频率合成是最早的相干合成法。其工作原理是通过分频、混频、倍频等方法来完成初始频率的基本运算，从而产生所需要频率的信号。基于分频倍频等技术，该种频率合成方法其转化时间是挺快的，过程中相位噪声较低，但是，这种方法所需要的元件是相当庞大的，且构造复杂，需要很大的成本，功耗又高，所以最终直接频率合成技术并没有发展起来。随着直接频率技术的淘汰，间接频率合成技术出现在了人类历史长河中。间接频率合成技术理论基础是建立在线性伺服环路的的理论基础上的。其工作原理则是通过锁相环来完成频率的加减乘除运算，基准频率通过间接频率合成技术中的压控振荡器进行锁定锁定，之后在通过混频选频倍频等方式来产生特定频率的的波形或者谐波。间接频率技术的发展弥补了直接频率合成技术的不足，其相燥低，电路简单易于集成，且系统比较稳定。但是由于采用锁相环技术导致其信号转换时间长，工作效率低。到现在最常用的频率合成技术是产生于1971年的直接数字频率合成技术。直接数字合成技术的理论依据是采样定理，它可以通过查表法来产生波形存储器中的特定的波形。通过寻址法将对应频率的相位序列转换成幅度序列，之后经由DA转换器和低通滤波器将数字信号转换成模拟信号。一开始DDS技术由于原理技术设备等的限制，并没有得到普遍运用，后来随着数电模电技术的不断发展，直接数字频率合成技术如雨后春笋一般迅速发展起来。对于信号源设计来说，DDS的优势实在太大了，它转化时间短，构造简单，而且输出波形稳定且能动态的随着相位的变化而变化，成本低，功耗小，具有极高的性价比与应用价值。论文结构系统是基于单片机STC89C51的DDS信号源设计，DDS将采用AD9833芯片，在软件设计方面将采用C语言来完成对不同波形发生的编程，频率的选择与控制由所编写程序来完成，该程序写入单片机的存储器进行存储。而信号幅度的增减则由放大器来进行调节。在系统的运行过程中，当单片机接收到外界指令后，不同的指令将调用不同的波形发生程序与系统中断以产生特定的频率的波形类型，也就是说单片机作为控制中心，通过调用不同的程序来完成各种命令。之后波形通过数模转换器转换成模拟信号，再经由放大器完成幅度的调节，最后由系统的输出端输出。本设计采用STC89C5型号单片机，负责整体系统的控制，并根据不同的指令调用相应的C语言程序；AD9833作为DDS模块的主要构成部分，在单片机的控制下完成相应波形的产生，之后波形在放大器的作用下通过改变输出电压来完成波形幅度的调控。单片机控制DDS（AD9833）模块产生不同类型的波形，波形经由高速运算放大器来改变对应波形的输出电压，以完成对输出波形的幅度调节。显示模块将采用1602来进行显示，负责将波形的频率等信息直观的显示出来，完成良好的人机交互界面。按键采用独立按键，通过按键对单片机发出指令，从而控制产生相应的信号。本系统设计价格低廉性能稳定具有极高的性价比，而且设计电路简洁明了，易于调试，能够产生正弦波、方波与三角波，完美的契合了本次的设计任务：1、通过按键选择控制输出的波形；2、幅度频率相位可调；3、波形参数屏幕显示；4、输出信号频率：0~30MHz。根据课题内容和所做的主要研究工作安排如下：第一章介绍了选题背景与信号源设计的发展过程，对频率合成技术的发展历程作了着重的介绍。第二章给出了系统的整体框架与工作流程，从基本原理、内部结构、数学模型等方面详细介绍了DDS技术。总结概括了信号发生器系统的实验原理，为本系统设计提供了理论依据。第三章是系统的硬件设计部分，完成了整体的电路设计，分别对系统的控制模块、DDS模块、按键与显示模块进行了设计，详细介绍了AD9833芯片与STC89C52的结构和工作原理，并对各模块设计作出了具体的说明。第四章是系统的软件设计与成果部分，介绍了软件开发环境，并完成了系统的调试与实验结果的分析。第五章是总结，该部分对全文进行了总结。第二章系统总体设计PAGE8-第二章系统总体设计2.1系统结构分析本次设计将系统分为波形产生模块（DDS）、单片机模块（系统控制与数据运算）、按键模块与显示模块四部分，其中DDS模块将采用性能良好性价比高的AD9833芯片，单片机模块将采用操作方便功能强大的STC89C52型单片机，显示屏使用LCD1026即可。该系统的输出信号频率在0-30NHz之间可调，并且可以实现调幅调相的功能，可通过按键选择输出波形。2.2系统框图在查阅文献资料并与老师讨论后，决定如下总体设计方案：系统的控制与数据运算功能交由STC89C51型单片机：由DDS芯片AD9833作为系统的信号发生部分，通过按键控制与屏幕显示共同构成系统的整体框架。图2-1系统总体框图2.3系统总体流程图NNY图2-2系统流程图2.4DDS技术2.4.1DDS的基本原理从整体角度而言，DDS系统结构可分成下述几部分内容：（1）频率控制字，能够将外部输入而来的各项频率在通过公式进行转换；（2）准确时钟，通常为晶体振荡器，能够成为一项系统基准频率，并以此为基础对系统电路作出调节，使得各环节电路处在同一步调；（3）相位累加设备，是直接数字频率合成技术最为重要的部分，其工作原理与计时器有异曲同工之妙，一般可以分为1个寄存设备和2个加法器；（4）波形存储器，通常所存储的内容为正弦函数表格，并以此为基础转化为幅值；（5）数模转换器，能够将波形存储器对外发出的离散信号进行转换，从而形成模拟波形信号；（6）低通滤波器，降低模式转换环节存在的量化误差，使得波形得到有效平整，同时可以获得更为出色的正弦波波形。由图3内容能够获知DDS系统原理情况。图2-3DDS系统原理图2.4.2DDS的性能特点（1）输出频率相对带宽较宽输出信号的频率带宽理论上大概在50%ｆs左右。但在实际操作中，由于环境的影响，系统设计的误差与元器件的属性对于输出信号的具体影响，其中频率带宽约为四成fs。（2）频率转换时间短DDS系统具有开环特点，结构简单，可直接进行频率转换。这就是DDS技术频率转换速率优于其他频率合成技术的原因。在DDS系统中，如果频率的控制字节发生了改变，那么它需要经过一个时钟周期才能实现频率的转换，因为一个周期后它就可以进行新的相位累加了。说白了就是频率转换时间取决于DDS系统所配置的时钟频率，且从整体角度而言，时钟频率与时钟周期之间存在负相关关系，如果频率转换速度非常快，则转换时间往往可以非常短，这是远远优于其他频率合成技术的。（3）频率分辨率极高在DDS系统中，时钟频率并不会出现转变，其中频率分辨率大小与相位累加器对应位数存在直接关联，且位数与分辨率之间存在负相关关系，换言之，相位累加器对应位数持续提升，则DDS频率分辨率数值能够非常小。现在的大多数DDS的频率分辨率在1Hz级，更有甚者能够小于1MHz。（4）相位变化连续DDS信号频率出现一定变化之后，时钟周期对应的相位增加量持续提升，同时相位函数保持连续性，因此只在频率出现变动的瞬间会形成相应突变，并不会对相位的连续性造成影响，因而DDS的信号相位变化是连续的。（5）输出波形的灵活性DDS系统可以实现对输出波形的调频、调幅与调相。其可以通过加载调频、调幅、调相控制来完成对输出波形的调频、调幅与调相。且在DDS的波形存储器中加入不同波形数据就可以改变其输出信号波形类型，例如三角波、正弦波和方波，条件允许的情况下甚至可以输出其他任意波形。如若想得到正交的两路输出，只要在DDS内部的波形存储器分别存放正余弦函数表即可。（6）其他优点DDS的元器件集成方便、获取简单、价格低廉、成本低，DDS的设计电路简练、易于操作、稳定性强、有很高的性价比。2.4.3相位累加器DDS的相位累加器有一个N位相位寄存器和一个累加器组成，累加器又由两个加法器组成。其工作过程是频率控制字节K在累加器中与前一个从相位寄存器中输出值相加，之后再由累加器的输出端进入N位相位寄存器，而数据进入相位寄存器后又会从寄存器的输出端返回到累加器中，频率控制字的改变也就能让相位的变化变得连续，系统一直重复这个过程，最终使得数据完全充满整个相位寄存器并实现溢出，此时表明形成1个时钟周期，且将相位寄存器对应外溢的频率作为最终输出频率。系统在结束1个时钟周期之后，会对累加器中的相关数值作出清空，此时系统能够转入下1周期，且可以持续对数据作出累加。加法器能够结合相位控制字的方式对波形作出有效的相位控制。相位累加器的实际运行原理可如下图所示：图2-4相位累加器2.4.4波形存储器在整个系统中，波形存储器的具体作用主要为将相位累加器中的相关数据进行转换，即将相位、频率等相关量化序列转变为与波形幅度相关的量化序列（如图3）。波形存储器可以作为前后转换的载体，实现信号有效转变和传递。在获得上级发送而来的相位量化序列信号后，相应的相位量化序列中的相位地址将会与幅值序列发生映射，进而将频率与相位量化序列转换成波形幅度量化序列，其工作过程由图下图所示。图2-5波形存储器2.4.5DA转换器该类转换器通常也被称作数模转换器，能够将所获得的处于离散状态的数字信号有效转变成具有高度连续性特征的模拟信号，其中上级传递而来的数字信号为二进制，经过转换之后可以形成正相关模拟量。如果采样周期非常大，则能够通过采样环节所获得的序列则非常小，此时DA转换器难以有效输出对应的模拟正弦波信号。在实际转换中，最终对外输出的信号质量与DA转换器的具体性能存在直接关系，因此频率合成技术涉及的DA转换器需保持较强性能，即分辨率较为出色。DA转换器转换过程如下图所示：图2-6DA转换器2.4.6低通滤波器该项工具的功能是滤除输出信号中的杂波，并且可以减小外界对信号输出的干扰，从而将嘈杂不稳定的一些信号转变的更为平滑和纯净，且其性能强弱与输出信号质量存在密切关联（见图5）。图2-7低通滤波器2.5DDS数学模型正弦波信号计算公式如下：（2.1）若U=1,θ0n=0,1,2…（2.2）通过频率fc对于u(t)进行间隔取样，获得采样波形序列如下表述：（2.3）此时离散相位序列可以如下表述：n=0,1,2…（2.4）其中（2.5）为对应的相位增量，能够反映连续2次采样操作所获得差距，即：f0小于fc。这表明，f0的决定因素为，因此在实际系统运行时，对作出有效控制，即可获得合成信号对应频率。通过M对周期相位2π进行分割，所获得的每一份以δ进行表示，即：（2.6）相位增量为Kδ，f0计算公式如下：（2.7）模拟信号计算公式：K、M为正整数（2.8）DDS系统中，设累加器对应位宽M的表达公式为，即f0计算公式如下：（2.9）由此可见，K数值直接与f0结果存在直接关联，K数值为1时能够得到系统最低频率，则可以明确频率分辨率：（2.10）结合奈奎斯特准则内容，在理想状态之下：（2.11）此计算结果为最低频率，但往往也需要考虑在运行过程中所面临的低通滤波器限制，因此一般最高频率计算公式如下：（2.11）为方便滤波镜像频率处理，经过测试可以发现，因此DDS频率带为0至40%fc。第三章系统硬件电路设计PAGE13-第三章系统硬件电路设计3.1基于单片机的信号源设计的整体电路基于单片机的DDS信号发生器的电路图如图7所示，由STC公司生产的STC89C52单片机作为系统的控制模块；完成系统数据的存储调用等功能，DDS模块为美国AD集团所研发推出的集成芯片，具体型号为AD9833，并配置对应外围电路实现波形处理和输出操作；按键模块为独立按键，它们各自与独立的I/O口输入线连接，结构较为简单，最后采用LCD1026来对输出波形的频率幅度相位等的显示，以实现良好的人机交互。图3-1系统整体电路原理图3.2频率控制模块3.2.1频率合成模块的选择与分析在系统设计开始之前，通过资料文献阅读的途径获知频率合成包括3种方法，具体如下：一是直接模拟，该方法需配置精准时钟源，可以将单一频率或多个频率为基础，结合倍频理论、分频理论、混频理论进行频率合成，在低通滤波操作后形成所需频率，能够具备转换速度较快的优势，但整体硬件体积尺寸较大，且功率损耗量也较高；二是锁相环合成，该方式近年来运用较多，以锁相环技术为基础进行倍频操作、分频操作，能够配置完善的集成电路，且结构也相对简单，但若频率分辨率数值较高，则其转换速率会出现明显下降；三是数字合成，DDS系统是新时代背景下出现的新合成技术，能够有效应对传统锁相环存在的不足，在高分辨率要求下也可以实现较高转换速度，且整体频率较为稳定，所获得的结构具备较好精准度，同时集成操作也相对便捷。总体而言，本设计根据实际需要，选定数字频率合成。该技术所采用的电路简单易于理解，元器件较少，价格便宜制作成本较低，且性能稳定功能较为完善具有极高的性价比。而其采用的采样定理等技术的工作原理是之前所学知识的延伸，学习起来比较容易，上手也比较快。更重要的是其调幅调频波形选择等功能完美契合了本次设计的任务要求。3.2.2AD9833功能概述在电气、信号、时域响应等领域，波形发生器发挥了极大的作用。本设计所采用的芯片AD9833是由亚德诺公司生产的，它不用外加其他元件即可实现三角波方波与正弦波信号的输出，是一款可以编写程序的波形发生器，其功耗低、价格便宜，极具性价比。芯片AD9833可通过编程的方式完成对输出波形的频率与波形相位的编写与调节，无需外加其他元器件，操作简单方便。AD9833配置二十八位频率寄存器，因此具备非常高的精度，在时钟主频数值为25M赫兹时，精准度能够满足0.1赫兹标准；在时钟主频数值为1M赫兹时，精准度能够满足0.004赫兹标准。AD9833的电压范围控制在2.3V—5.5V，其数据的写入由三个工作频率可达40MHz的串行接口进行，兼容DSP等各种通用的微控制器。

芯片AD9833具有极低的功耗，这得益于它的自动休眠功能。当芯片内部的某部分未被使用时，它可智能的降低该部分的电流功耗。下图9为芯片AD9833对应的引脚分布情况，根据其功能可以分成3种类型：图3-2AD9833芯片引脚图1、电源端口VDD：表示正电平输入引脚，电压范围为2.3伏至5伏。在整体电路中，需此引脚与AGND进行并联。CAP/2.5V：表示电平选择端引脚。系统内部数字电路对应的电压基准为2.5伏。在系统运行过程中，VDD超过2.7伏时，为确保电压基准正常，需在该引脚与DGND引脚间接入100μF电容；若VDD低于2.7伏，则可直接与VDD引脚对接。DGND：表示数字地端口。AGND：表示模拟地端口。2、模拟信号端口COMP：表示AD转换器对应的偏置端口。VOUT：表示输出端口。3、数字接口和控制引脚MCLK：表示对接外部时钟输入引脚，确定信号频率精度大小以及相位噪声。SDATA：表示串行数据输入引脚，可以传递十六位数据字。SCLK：表示串行时钟输入引脚。FSYNC：表示同步信号输入引脚，在低电平状态时可以输入新字。3.2.3AD9833功能概述AD9833芯片对应集成电路不仅集成性非常高，且属于数字频率合成相关电路，此电路在数字电路领域中，经常被用来对数字电路进行调制与解调，主要运用了DSP技术，让电路的调制与解调变得更加简单方便。不仅如此，它还具有极高的精准度。而电路的主要构成为：单个解耦电容器，一个外部参考时钟和1个低精度电阻器。仅仅是这些器件系统电路即可产生一个12.5MHz的正弦信号。芯片AD9833的电路的元器件如下：负责调整频率与相位的频率相位调节器、负责将数字信号转换成模拟信号的数模转换器，此外也包括震荡形成波形的专项数控振荡器、有效调节电压幅值的调整器等。在芯片AD9833中，通常相位累加器是其中的核心组件，一般可以分为1个寄存设备和2个加法器，配置二十八位频率寄存器，因此具备非常高的精度。不同时钟周期所对应的相位寄存器中的数据信息通常基于频率控制字节为具体单位作出累加，随后对应输出的数据信息能够结合相位控制字之后转入正弦查询表。通过查询表地址的映射，其中一个周期的正弦波的幅值一一对应于正弦波0到360度的相位点。正弦查询表可将输入信号的频率相位数据映射为幅值数字信息。之后通过数模转换器再将数字量信息转化成模拟量信息。这样系统形成了一个循环，该系统每经过228/K个MCLK时钟后重置回到初始状态，从而产生了一个正弦波，其频率可表示为：(3.1)

公式中,频率控制字K由软件编程来完成设定，式中给定了其范围。芯片AD9833的数字电路部分与模拟电路部分由VDD进行供电，供电电压可维持在2.5V到3.5V之间。其中，电压调节器可将数字电路部分的工作电压稳定在2.5V。在AD9833中，数据是通过三根串行数据接口线加载到设备上的，这些接口与平常用到的DSP、SPI等接口标准相兼容。而串口时钟SCLK的作用是将数据变为十六位标准。芯片AD9833的FSYNC端口的工作是使能，通过低电平有效的方式触发电平。在系统对串行数据进行传输是，端口需置低。在FSYNC端口置低后，AD9833的输入移位寄存器将接收十六个SCLK下降沿数据，在第十六个SCLK下降沿被送入后，可置高SFYNC端口。若是系统同时加载多个十六位数据的话，FSYNC可只在最后一个数据的第十六个下降沿置高。在系统刚开始写数据的时候，SCLK时钟是高电平脉冲，当系统运转之后，SCLK为高低电平。为了保证数模转换器在芯片AD9833系统初始化过程中不会产生虚假输出，RESET端口需在此时置1，此状态一直持续到系统配置完成。当需要数据输出时才会将端口置零，数模转化器的可以在之后的8到9个时钟周期在输出端显示波形。系统从写入数据到数据输出需要一定的时间来进行响应，因此AD9833系统在每次改变频率或相位的时候，输出波形需7到8个时钟周期才能发生改变，而这一个时钟周期的误差是由上升沿位置不确定造成的。3.2.4AD9833的内部结构与工作原理软件编程的频率控制字经由28位的相位累加器累加后进入到波形存储器中，通过频率与相位的映射产生离散的数字信号，之后10位数模转换器对数字信号进行转换从而产生连续的模拟信号。图3-3AD9833内部构造框图3.2.5信号产生模块信号的发生是通过单片机STC89C51与芯片AD9833共同控制完成的，当用户通过键盘对系统发出指令后，单片机STC89C51将会调用相应的程序对实际输出控制字作出有效计算，这些输出控制字有效传输至芯片之后可以形成能够进行调频或调幅操作的输出信号。1、信号产生模块的电路原理图在DDS中，AD9850是其中的核心模块，具体电路结构图如下：图3-4信号产生模块电路原理图2、PCB截图图3-5PCB截图3.2.6与单片机的连接在本次系统设计中，DDS芯片AD9833将通过前文提到的三根串行接口线（FSYNC、SDATA、SCLK）与单片机STC89C51相连接。端口FSYNC作为使能端口，以低电平有效触发电平。DDS芯片AD9833系统的三条串行接口（FSYNC、SDATA、SCLK）分别与STC89C51的P3.0端口、P3.7端口、P3.1端口相连接。图3-6数据传输时序3.3系统控制模块3.3.1系统控制模块的选择与分析在进行控制电路分析和选择时，需重点考虑以FPGA为基础，在EDA软件支持下完成任务，或以单片机为系统控制工具完成任务。FPGA基于查找表原理，在系统内部形成与逻辑门、触发器相关的电路，因此具备出色的集成度，能够满足问题处理需要，且具有执行效率相对较高，仅需采取程序编辑即可完成逻辑电路任务等特点。但在进行电路设计时，需选定时钟电路，且需根据电路实际需要完成时序规划，这两项内容较为困难，且容易产生噪声、毛刺，并在掉电状态下可能会失去既定程序配置。由此可见，本次设计不选用该方案。本次研究以单片机为系统控制器，这是由于单片机原理较为简单，电路结构简洁，且本人对单片机的知识相对熟悉，同时单片机具备集成程度较高、体积相对较小、容易携带等特点，具有极高的系统稳定性，具有十分优秀的系统控制能力，而且片内资源丰富，I/O口资源和内存空间也完全满足本次设计需求。单片机通常供电范围为3至5伏，额定电压相对较低，因此可以满足小规模系统运行需要。本次设计选定型号为STC89C51的单片机为控制电路。在系统运行时，单片机以I/O端口的方式对接系统中的各处模块电路，因此各模块中的数据均可以反馈至单片机，由单边机根据数据内容、频率大小等，将所分析的结果反馈至显示模块，从而在显示屏中直观显示出频率、步进值等，即完成人机交互。总体而言，单片机在获得键盘输入的相关信息之后，运用程序转换的方式将这些信息转变成能够有效被读取的控制字，并在输出端中实现波形输出。3.3.2单片机STC89C51本次设计选定宏晶科技公司研发推出的STC89C51单片机为系统主控芯片，对各模块作出有效控制。此单片机共配置四十个引脚端口，电源电压范围为3.8伏至5.5伏。单片机STC89C51主要由模数转换模块，外部中断模块（两个），定时器中断模块（3个）Flash存储器模块（4Kbit）和脉冲宽度模块等模块构成。单片机STC89C51的片内资源丰富，而且运行速度快。图14是单片机STC89C51的引脚图。图3-7STC89C51引脚图3.3.3单片机的定时器2的功能表3-1特殊功能寄存器T2CON76543210TF2EXF2RCLKTCLKEXEN2TR2C/T2CP/RL2作为单片机STC89C51的定时器/计数器，定时器2是16位的。其中，特殊功能寄存器中的C/T2位决定了其作为定时器还是计数器。定时器有三种工作方式，特殊功能寄存器T2CON的位决定，根据位的不同可分为捕获模式、自动重新装载模式（计数递减或递增）与波特率发生器三种模式。1、捕获模式当定时器2处于捕获模式时，若EXEN2=0，TF2作为定时器2的溢出标志位（即定时器2在溢出时置TF2位），将产生中断。当EXEN2=1时，其他特性与之前保持一样，但是在EXF2由1变为0时，RCAP2L与RCAP2H将会捕获定时器2中的TL2与TH2。当然，T2EX的负跳变也会产生中断（EXF2置位）。因此，定时器2的中断事件就是中断程序通过TL2与TF2的置位来具体确认的。图3-8定时器2捕获模式2、自动重新装载模式当定时器2处于自动重新装载模式下时，编程控制的递减或递增计数是通过定时器2中的C/T2位来配置为定时器或计数器的。由DCEN来确定计数的方向，具体内容是，当DCEN为1是，系统可通过EXEN2来选择向上或向下计数，当DECN变为0时，这时候是默认向上计数的。图3-9定时器2自动重新装载模式（DCEN=0）图3-10定时器2自动重新装载模式（DCEN=1）3、波特率发生器模式T2CON中的RCLK或TCLK位将决定由定时器1或定时器2来作为发送波特率的串口行。即：当RCLK位或TCLK位为0时，定时器1作为发送波特率的串口行，当RCLK位或TCLK位为1时，定时器2作为发送波特率的串口行。串口行以此来得到不同的波特率。由此可知，只有当RCLK位或者TCLK位为1的时候，定时器2才能处于波特率发生器模式。图3-11定时器2的波特率发生器模式3.3.4单片机最小系统从单片机整体结构来看，最小系统包括单片机、复位电路、晶振电路三部分，且均为单片机能够工作的必不可少的一部分。其中复位电路的作用就是通过重启系统的方式防止系统死机，具体可以分成两种途径，即上电复位、手动复位。其中在单片机处在上电状态时，程序可在指定位置完成运行，这表明在满足上电程序条件时，均会在相同位置运动。系统复位的具体原理是对电容进行充放电操作，从而确保RST引脚为高电平。电容在系统上电状态下进入充电阶段，在复位电路重启系统时电容短路，电容就成为了放电状态。这两种状态中RST端口都可以处于高电平。单片机最小系统电路结构图如下图所示。图3-12单片机最小系统电路1、晶振电路图3-13晶振电路晶振电路结构图如上图所示，其中晶振频率为20MHz，用两个30pF的电容（C2、C3）来实现快速起振，同时它们还可以稳定频率。由此一个简单的稳定自激振荡器就形成了。2、复位电路单片机最小系统结构所涉及的电路内容较多，其中复位电路是系统的主要电路，单片机在上电状态时，相应的程序需在指定位置运行，程序可在指定位置完成运行，这表明在满足上电程序条件时，均会在相同位置运动。系统复位的具体原理是对电容进行充放电操作，从而确保RST引脚为高电平。电容在系统上电状态下进入充电阶段。系统复位过程中，电容会自动放电。图21是单片机最小系统的复位电路电路图。图3-14复位电路3.4系统的按键与显示模块3.4.1系统按键模块的论证本系统对应的输出频率来自于键盘输入，具体输入内容为正弦波、余弦波、方波，因此需配置键盘模块。通常按键模块可分为两种情况，即独立按键式键盘、矩阵键盘。其中前者是指所有按键均分配对接单片机中的端口，因此具备高度独立性，并不会对其余按键正常操作形成影响。为转变输出波形对应种类，并对系统波频率作出设置，同时需对频率步进进行有效改变。本次研究选择的系统将采用4＊4的矩阵按键。在本次设计中，每个按键分别与STC89C51的P10-P17端口相连接，如图22所示。其中设置键能够对频率、步进、幅值等作出增加或减少，并满足连续输入条件。功能键可以有效实现设置对象改变，其中频率为系统初始对象，在系统运行过程中可转变为步进值、幅值，从而满足系统功能发挥需要。波形选择性能够实现波形输出切换，其中正弦波为系统初始波形，在系统运行过程中可转变为方波、三角波。按键电路结构如下图所示。图3-15矩阵按键3.4.2系统显示模块的讨论对数码管显示情况作出分析可以了解到，LED数码管能够视为众多发光二极管共同构成的特殊发光器件，在对其中某段提供电压之后，二极管能够呈现出发光状态，可对数字作出有效控制，且成本较低，但能对外显示出的相关信息较少。图3-16显示模块电路图本系统选定匹配的显示模块只需显示输出波形的频率幅值等简单的数字与字符，而LCD1602编程较为简单，而且可以实现设计要求的基本功能，再加上具有功耗低的特点，因此所需显示的信息仅为字符或数字，无需对外显示复杂程度较高的图像。本系统选定LCD1602完成信息显示，该组件能够支持的显示信息类型相对较少，但整体便捷操作较为简单。第四章系统软件设计与成果

第四章系统的软件设计与成果4.1软件开发环境本设计的软件设计将采用keil作为单片机的开发工具，其支持C语言进行编程，并且可以将C语言文件转换成hex文件进行运行。对具有一定C语言基础的人来说比较容易上手。与此同时，keil内带多种型号的单片机资源，使用时只要选取相应型号的单片机即可。4.2系统软件设计4.2.1keil运行系统主程序图4-1keil运行系统主程序图基于单片机的信号源设计的系统运行主程序的结果如图4-1所示，其主程序源代码与关键代码见附录一。4.2.2keil调试AD9833模块程序图4-2keil成功调试AD9833模块程序代码图4-2是keil成功调试AD9833模块的的运行结果图，通过该程序，可完成对信号输出波形的选择、输出波形频率、相位的改变和输出信号幅度的调控。其中，实现对输出波形幅度调控的关键程序部分见图4-3.图4-3keil运行AD9833模块程序调幅部分4.3系统设计成果4.3.1电路板焊接实物图图4-1电路焊接正面图图4-2电路焊接反面图图4-3系统开机运行实图4.3.2示波器显示输出波形1、正弦波的输出图4-4示波器显示正弦波的输出2、三角波的输出图4-5示波器显示三角波的输出3、方波的输出图4-6示波器显示方波的输出附录B使用说明书-PAGE21-第五章总结与展望本设计是单片机基于DDS的信号源设计，其重点是对单片机与DDS技术的原理的理解与运用，难点在于电路图的绘制。大一大二期间，我们曾对C语言与C++有过系统的学习，所以本次设计中对keil软件的上手也比较快，只要弄明白其操作方式就没问题了。但是，我在此之前基本没有设计绘制过电路图，所以在这方面耗费的精力比较多。首先呢需要寻找合适的绘图工具，再就是通过查阅资料等方式掌握电路图的绘制规则。在软件设计方面，要充分理解各程序的功能，通过C语言编程实现不同波形、不同频率信号的输出。在硬件设计方面，对各个模块的电路设计及其功能作了详细的说明。随着现代科技的不断发展，作为系统的控制中心，单片机的应用价值也越来越高。该系统采用的51系列单片机，结构比较简单，工作原理也比较容易理解，对于我这个小白来说比较容易上手，收获颇多。本次的信号源设计不仅加深了我对理论知识的理解，更加锻炼了我的思考能力、应变能力与动手能力，为我之后的工作学习打下了良好的基础。参考文献李广弟.单片机基础.北京:北京航空航天出版社,2001楼然苗.51系列单片机设计实例.北京:北京航空航天出版社,2003唐俊翟.单片机原理与应用.北京:冶金工业出版社,2003刘瑞新.单片机原理及应用教程.北京:机械工业出版社,2003吴国经.单片机应用技术.北京:中国电力出版社,2004李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术.北京:高等教育出版社,2004侯媛彬.凌阳单片机原理及其毕业设计精选.北京:科学出版社,2006罗亚非.凌阳十六位单片机应用基础.北京:北京航空航天大学出版社,2003张毅刚.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨:哈工大出版社,2004霍孟友.单片机原理与应用.北京:机械工业出版社,2004霍孟友.单片机原理与应用学习概要及题解.北京:机械工业出版社,2005许泳龙.单片机原理及应用.北京:机械工业出版社,2005马忠梅.单片机的C语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社,2003薛均义,张彦斌,虞鹤松等.凌阳十六位单片机原理及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2003郑毅.一种高精度直接数字式频率源的设计[J].电子机械工程,2013郭军朝.直接数字频率合成研究及其FPGA实现[D].上海交通大学,2014杜欢阳,安莹.DDS器件AD9833在信号源中的应用[J].现代电子技术,2015聂汉平.高频精密函数波形发生器设计[J].国外电子元器,2014马忠梅,籍顺心．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,2011潘永熊.