1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 DDS的任意信号发生器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 信号是运载消息的工具，是消息的载体，也在日常生活中有有着广泛的应用，是必不可少的。对于一些仪器所需的信号，当然离不开 信号发生器， 因此信号发生器的研究具有重要的现实意义。 基于 DDS技术的信号发生器是随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新型信号源。此信号发生器具有输出频率稳定、准确，波形质量好和输出频率范围宽等特点，是科学研究的一个重要方向。因此 针对信号发生器的特点， 设计了一种
2、基于 DDS的任意信号发生器系统。 硬件电路以 AT89C51单片机为微处理器，分为 微处理器模块、信号产生模块、键盘显示模块、模拟处理模块四个部分。 软件部分主要分为 主程序， 信号产生模块，键盘显示 模块三部分 。系统利用 单片机 低功耗、处理能力强的特点，控制 DDS芯片 AD9850产生清晰的波形，再经过模拟处理，最后得到所需的波形。单片机高程度的自动化操作，是具有良好的实用价值和发展前景的。 关键词： 直接数字频率合成；信号发生器； AD9850；频率 - 3 - Abstract Signals are carrying news tool, is the news of the
3、carrier, also in everyday life there in a wide range of applications, is indispensable.For some instrument signal, of course, without the required signal generator therefore signal generator research has important realistic significance. Based on DDS technology of signal generator is along with the
4、progress of computer technology and microelectronics technology application in measuring instrument is formed and developed a new type of source. This signal generator with output frequency stability, accuracy, good quality and output waveform frequency range wide, and other features, is one of the
5、important research direction. This system according to the characteristics of signal generator, design a kind of any signal generator based on DDS system. Hardware circuit AT89C51 SCM in to micro processor, divided into microprocessors systems, signal generated module, keyboard display module, simul
6、ation processing modules four modules. Software is mainly classified into the main program, signal generation module, keyboard display module of three parts. System USES singlechip low power consumption, handling ability strong characteristic, control chip AD9850 create clearer DDS waveforms, repass
7、 simulation processing, and finally to obtain the required waveform. Single-chip microcomputer high degree of automation, is a good practical value and the prospects of development. Key Words:Direct digital frequency synthesis, Signal generator; AD9850; Frequency - 4 - 目 录 1 引言 . 1 1.1 信号发生器技术 . 1 1
8、.2 DDS 的概述 . 3 2 设计方案 . 4 2.1 设计要求 . 4 2.2 设计方案 . 4 3 硬件设计 . 5 3.1 微处理器模块 . 5 3.1.1 时钟电路 . 5 3.1.2 复位电路 . 6 3.2 信号产生模块 . 6 3.2.1 DDS 时钟电路 . 7 3.2.2 正弦波产生 . 7 3.2.3 低通滤波器 . 8 3.3 键盘显示模块 . 9 3.3.1 液晶显示模块 . 9 3.3.2 键盘控制模块 . 10 3.4 模拟处理模块 . 11 3.4.1 方波产生 . 11 3.4.2 三角波产生 . 11 4 软件设计 . 13 4.1 主程序 . 13 4.
9、2 信号产生模块 . 14 4.2.1 发一个字节模块 . 15 4.2.2 发 40 位函数模块 . 16 4.3 键盘显示模块 . 17 4.3.1 按键扫描模块 . 18 4.3.2 液晶显示模块 . 20 4.3.3 键值处理模块 . 21 结论 . 24 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 25 附录 1 实验原 理图 . 26 1 引言 信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备。因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，
10、几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器 1。 1.1 信号发生器技术 信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器，早在上世纪二十年代，当电子设备刚出现时，他就已经出现了。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、多功能等各方面也都有了显著的进展 2。 信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验中经常使用的电子仪器之一。信号发生器种类较多，性能各有差别，但它们都可以产生不同频率的正弦波、调幅波调频波信号，以及各种频率的
11、方波、三角波、锯齿波和正负脉冲波信号等。利用信号发生器输出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测 量，还可以对电工和电子产品整进行指数验证、参数调整及性能鉴定。在多数电路传递网络中、电容与电感组合电路，电容与电阻组合电路及信号调制器的频率、相位的检测中都可以得到广泛的应用 3。 信号发生器按其频率的高低，可分为：超低频信号发生器，低频信号发生器，高频信号发生器，超高频信号发生器，微波信号发生器；按产生波形的不同，可分为 :正弦波信号发生器，脉冲波函数波信号发生器，任意波信号发生器；按调制方式的不同，可分为：调频信号发生器 (FM)、调幅信号发生器 (AM)，调相信号发生器 (PM)，脉冲调制信
12、号发生器 ;此外， 还可以产生两种或多种波形信号发生器 4。 信号是运载消息的工具，是消息的载体，也在日常生活中有有着广泛的应用，是必不可少的。对于一些仪器所需的信号，当然离不开信号发生器。信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。信号发生器在信号源、检测仪表等电子设备中具有十分广泛的用途。作为实验用信号源，信号发生器是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。 目前常见的信号发生器按其结构分为三种：第一种是由分立元 件构成，采用振荡电路实现。第二种是采用专用波形集成芯片，通过改变外围参数实现。第三种是采用微处 理器、 FPGA、 DDS 芯片等，用现代电子设计技术实现。 由分
13、立元件构成的信号发生器由于元器件的分散性及环境条件的改变等因素，致使波形频率产生偏差。由现代电子技术实现的波形发器主要有“单片机 + 低速 D/A 转换”和“ FPGA+高级 D/A 转换或采用 DDS 数字合成”两种，前者用于低频，价位低，后者主要用于高频或高精度场所，价位高 5。 采用现代电子技术通过编程实现的信号源，从技术上克服了元器件分散性造成波形失真的问题。而在信号发生器的研究过程中， D/A 和 lcd 是很重要的。将数字信号转换为模拟信号的电路称为数 模转换器，即 D/A，它被广泛地应用在信号采集和处理、数字通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。 利用现代频率合成技术制成的
14、合成信号发生器，通常被称为频率合成器或频率综合器。但严格来地说，他们是有区别的。频率合成器是指利用频率合成技术合成的频率源，他常常是没有调制的，也没有足够宽的和足够准确的输出电平调节，其工作频率范围往往不是很宽，最小频率间隔也比较大，一般作为专用设备使用，或为某个系统中的一个组成部分，比如通讯设备中的激励源和本振等。合成信号发生器是通用的电子测量仪器，是一种具有高频率稳定度和准确度 的测量用信号发生器。因此，他可以输出多种波形，有宽而准确的输出电平调节，有较宽的输出频率范围，较小的频率间隔 6。基于频率合成原理制成的信号发生器，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，因此发展非常迅速。尤其是最近
15、随着现代电子技术的发展，其应用更是有了质的飞跃 7。 在此设计中，单片机具有 集成度高、功能强、体积小、可靠性高、价格低和开发周期短等特点 。采用不同的芯片和模块来组成各种控制系统非常方便，因此单片机控制将得到越来越广泛的应用。同时随着计算机技术的进步，控制精度会随着控制理论的完善和测量精度的提高 而日趋提高。 1.2 DDS 的概述 DDS 技术的基本理论虽早在 70 年代就已经提出来了，但是由于硬件条件的限制，它在初期并没有得到很大的重视。最近几年，随着现代电子技术和大规模集成电路的发展， DDS 技术得到了飞速的发展，并已成为最重要的频率合成技术。DDS 技术虽然最初是作为频率合成技术提
16、出的，但现在它也被广泛应用于任意波形发生器。 在现代电子系统中，经常需要产生稳定的重复波形，如正弦波或方波。在一些场合，还要求产生信号的频率能准确调节；甚至要求产生多路信号，而且这些信号之间的相位要保持确定的关系。 DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字合成 )是一种应用数字技术产生信号波形的方法。 DDS 技术建立在采样定理的基础上，它首先对需要产生的信号波形进行采样和量化，然后存入存储器作为待产生信号波形的数据表。输出信号波形时，电路在一个高稳定时钟信号控制下从数据表中依次读出信号波形的数据，产生数字化的信号，这个信号再通过 D/A 转换成所需的模拟信号波形。相
17、对于其它信号波形产生技术， DDS 技术具有输出信号的采样频率固定、频率稳定性高、信号频率转换时间短、输出相位连续、全数字化、可编程和易于控制等优点8。 本设计 运用 DDS 技术来控制产生波形， 其研究意义深远。 本系统分为微处理器系统、信号产生模块、模拟处理模块和键盘显示模块 4 个部分 。文中对每个模块的功能及实现过程做了详细的介绍，本设计的核心是 DDS 的工作原理。 2 设计方案 2.1 设计要求 本课题设计一个采用 DDS技术的任意信号发生器，要求： 1.输出波形可设置正弦波、方波、三角波； 2.输出频率调节范围： 1Hz-1MHz； 3.输出幅度调节范围： 0-5V。 2.2 设
18、计方案 基于 DDS的信号发生器设计分为微处理器模块、信号产生模块、按键显示模块和模拟处 理模块 4个部分。系统的总体框图设计如图 2-1所示，微处理器系统选用 AT89C51作为系统的主控制器。该芯片具有在线可编程功能，输入频率最高为33MHz，丰富的 I/O口，能够满足对信号产生模块、按键控制模块、显示模块的控制，并能快速完成频率控制字的计算。信号发生模块的核心是 DDS技术， DDS内部有一个相位累加器，它类似一个计数器，每收到一个时钟信号，相位累加器的输出就增加一个步长的相位增加量，相位增加量的大小由频率控制字确定。信号产生模块选用 DDS芯片 AD9850。 AD9850是 AD公司
19、生产的最高时钟为 125MHz、采用先进的 CMOS技术的直接频率合成器，它结合一个片内高速、高性能 DAC 和比较器构成一个完全数字控制可编程频率合成器，并具有时钟产生功能的高集成度芯片。该芯片产生正弦信号，最高输出信号频率为 62.5 MHz9。显示模块选用带有12864ZB液晶屏显示功能。该显示屏具有亮度可调、自带字库、节省主控制器资源的优点，并且能完全支持 8位数据并行传输和中文显示功能。 图 2-1 系统总体结构框图 微处理器 信号产生 模拟处理 按键控制 低通滤波 LCD 显示 3 硬件设计 本系统硬件主要有四大模块组成：微处理器模块、信号产生模块、键盘显 示模块、模拟处理模块。
20、3.1 微处理器模块 系统采用 AT89C51作为微处理器。 该芯片 是一种带 4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能 CMOS 8位微处理器 ，管脚少，体积小，且功能强。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。 它具有丰富的 I/O口，能够满足对信号产生模块、按键控制模块、显示模块的控制，并能快速完成频率控制字的计算，满足系统控制功能的要求，其电路图如图 3-1所示。 E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 1 01P 1 12
21、P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10U1A T 8 9 C 5 1A D 0A D 1A D 2A D 3A D 4A D 5A D 6A D 7P 2 0P 2 1P 2 2P 2 3P 2 4P 2 5P 2 6P 2 7P 3 0P 3 1A L EP 1 0P 1
22、 1P 1 2P 3 3P 3 2P 3 5R E S E C TP 3 7P 3 6P 3 4P 1 3P 1 4P 1 5P 1 6P 1 7Y1C R Y S T A LC2C a p30PFC3C a p30PFV C C231456789R P 1 V C CA D 0A D 1A D 2A D 3A D 4A D 5A D 6A D 7R4R e s 21 0 KC1C a p P o l11 0 u FV C CS W 1S W - P BR E S E C T图 3-1 微处理器电路图 3.1.1 时钟电路 单片 机内部有 一个高增益反相放大器，输入端为芯片引脚 XTAL1，输
23、出端为引脚 XTAL2。在外部 XTAL1和 XTAL2之间接一个晶体振荡器和 2个微调电容，构成了一个平稳的自激振荡器。其中晶振频率采用 12MHZ的石英晶体， 在晶振两端加了 2个 30pF的起振电容 C2、 C3，使晶振能够方便快速的起振。 其电路图如上图 3-1所示。 3.1.2 复位电路 为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分 。 复位是单片机的初始化操作，其作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个初始状态开始工作。 本 设计采用按键电平复位，电平复位是通过 RESECT 端与 VCC 连通而实现的，其电路图如上图 3-1 所示。 R
24、ST 引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效。 复位电路的工作原理： VCC上电时， C充电，在 10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后， C充满， 10K电阻上电流降为 0，电压也为 0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下 S， C放电。 S松手， C又充电，在 10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。 3.2 信号产生模块 信号产生模块选用 DDS芯片 AD9850。 AD9850是 AD公司生产的最高时钟为 125 MHz、采用先进的 CMOS技术的直接频率合成器，它结合一个片内高速、高性能 DAC 和比较器构成一个完全数字控制可编程频率
25、合成器，并具有时钟产生功能的高集成度芯片。该芯片产生正弦信号，最高输出信号频率为 62.5 MHz。 AD9850有 40位控制字 ， 32位用于频率控制（低 32位）， 5位用于相位控制， 1位用于电源休眠 (Powerdown) 控制， 2位用于选择工作方式。这 40位控制字可通过并行或串行方式输入到 AD985010。 其中串行写入方式是采用 D7作 为数据输入端， 图中 D7跟 单片机的 P1.4相连， 每次 W_CLK的上升沿把一个数据串行移人到输入寄存器， 40位数据都移入后 ， FQ_UD上升沿完成输出信号频率和相位的更新。其中 DO， D1脚接高电平， D2脚要接地。 FQ UD接 P1.5， W CLK接 P1.6。其电路图如图 3-2所示。
