1、 本科毕业设计 （ 20 届） 基于 AD9851的信号源设计 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 - 1 - 摘 要 利用直接数字频率合成器（ DDS）与单片机控制技术设计一个分辨率较高、稳定度较好的正弦信号发生器。文中主要讨论基于 DDS芯片 AD9851 的波形发生器，首先介绍了常用的几种波形发生器的方案并进行了比较，重点论述了基于DDS 芯片 AD9851 的波形发生器方案，包括原理图、硬件电路图、软件流程图。 在系统总体方案设计中，将函数信号放生器分成模块：键盘模块、单片机模块、DDS 模块、液晶显示模块，按模块进行硬件和软件设计。理论
2、和实测结果表明 ,所设计系统结构简单，使用方便、性能稳定、误差小。 本次设计的技术指标： 实现 0.1Hz-30MHz 的正弦波波形输出 ， 频率通过步长来调节， 步长的调节由键盘控制，最小步长为 0.1Hz,并 由液晶显示波形的频 率和步长。 关键词： DDS,AD9851,C8051 单片机， HS12232_9 液晶显示器 - 2 - Abstract Direct digital frequency synthesizer (DDS) and MCU control technology to design a higher resolution, stability, good fu
3、nction signal generator. Paper mainly discusses the DDS chip AD9851 based on the waveform generator, first introduced several common waveform generator program and compared, focusing on the DDS chip AD9851 based waveform generator programs, including schematics, hardware schematics, software flowcha
4、rt. Overall design of the system will release device function signal is divided into modules: the keyboard module, microcontroller module, DDS module, liquid crystal display module, according to the design of hardware and software modules. Theoretical and experimental results show that the proposed
5、system is simple, easy to use, stable performance, small error. The design of the technical indicators: achieving 0.1Hz-30Mhz sine wave output, frequency through the steps to adjust, the adjustment step size control by the keyboard, the smallest step of 0.1Hz. By the oscilloscope display the wavefor
6、m, while the LCD waveform frequency and step length. Keywords: DDS, AD9851, C8051 MCU, HS12232_9 LCD - 3 - 目录 目录 . 3 1 引言 . 4 2 系统总体设计 . 6 2.1 DDS 工作原理 . 6 2.2 总体设计方案 . 7 3 硬件电路的设计 . 9 3.1 单片机和各个模块的接口电路 . 9 3.2 单片机与液晶接口电路 . 9 3.3 AD9851 模块 . 11 3.3.1 AD9851 引脚及功能介绍 . 11 3.3.2 AD9851 工作 方式 . 12 3.4 A
7、D9851 模块电路 . 14 3.5 本章小结 . 14 4 软件设计 . 15 4.1 对 AD9851 的操作 . 16 4.1.1 初始化程序 . 16 4.1.2 写 AD9851 寄存器程序 . 16 4.1.3 键盘调节 . 17 4.2 本章小结 . 18 5系统制作和调试 . 19 5.1 液晶显示部分 . 19 5.2 AD9851 调试 . 19 5.3 本章小结 . 22 6 结论 . 23 参考文献 . 24 致 谢 . 错误 !未定义书签。 - 4 - 1 引言 频率合成技术是现代电子系统的重要组成部分，是决定电子系统性能的关键设备之一。 在现代雷达、通信、电子对抗
8、等系统中频率源有着广泛的应用，是众多应用电子系统实现高性能的关键因素之一，很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所使 用的频率源的性能。然而随着现代通信技术的发展，系统对频率合成器提出了越来越高的要求，低相位噪声、高频谱纯度、高捷变速率和高频率分辨率的频率合成器已经成为频率合成技术的主要趋势 1。 所谓频率合成 （ FS， Frequency Synthesis） ，就是指由一个或多个频率稳定度和精度很高的参考信号通过频率域的线性运算，产生具有同样稳定度和精度的大量离散频率的过程， 目前主要包含四种技术：直接模拟频率合成 （ DAS， Direct Analog Synthesis） 、锁相
9、频率合成（ PLL， phase Locked Loop）、直接数字频率合成（ DDS， Digital Direct Synthesis)和混合式频率合成技术 2。 直接数字合成技术是第三代频率合成技术， 它的出现改变了以往的采用 RC 振荡电路、直接频率合成、锁相环等传统的频率合成方法，它以固定的精确时钟源为基准，利用数字处理模块产生频率可调的输出信号。 目前信号发生器设计有以下几种方法： (1)直接模拟合成（ DAS）技术：以一个（或多个）参考晶振为基础，通过倍频、分频、混频及开关和滤波等方法组合而形成的一种频率合成器。缺点是带宽窄，性能差 3。 (2)间接锁 相环式频率合成技术（ PL
10、L）：压控振荡器（ VCO）产生的正弦信号经程控分频后所得的信号在鉴相器中进行鉴相，鉴相器输出的误差电压经环路滤波器送至 VCO 的输出频率 4。间接数字合成法减少了多次倍频和滤波所需的设置时间，是频率设置时间低到几毫秒，而且还可以获得非整数 N的分频，即分数 N的频率合成（ N1） . (3)大规模可编程器件（ CPLD）来控制。特点是：体积小，灵活性强，调试方便，但是成本高。 (4)直接数字合成技术（ DDS）：频率控制字送入相位累加器，更新累加器的数据，用新的相位累加数据送入正弦查找表，产生 数字化正弦波形，经过数模转- 5 - 换器，产生模拟量正弦波形，通过低通滤波器滤除不需要的取样分
11、量后，输出频谱纯净的正弦信号 5。特点：体积小，灵活性强，调试方便，成本较小。 本课题的主要研究内容是用基于 DDS 芯片 AD9851 的正弦信号发生器来实现信号的产生，具体内容包括： （ 1） DDS 的工作原理及波形产生技术：研究 DDS 的工作原理，掌握 DDS 芯片 AD9851 的内部结构特点。 （ 2）系统硬件设计：了解单片机 C8051F005 的原理及工作特性，实现键盘接口电路和波形产生电路。 （ 3）系统软件设计：利用单片机控制整个系 统的工作过程，实现波形产生，步进调整。 - 6 - 2 系统总体设计 2.1 DDS 工作原理 DDS 具有频率转换快，频率分辨率高和较低的
12、相位噪声，体积小，重量轻，在频率改变与调频时， DDS 器件能够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制，此外还具有可编程控制的突出优点。近年来，随着 FPGA、 CPLD等技术的出现，使 DDS 得到飞速的发展。 如图 2-16所示， DDS 主要由相位累加器、正弦波形表、 D/A 转换器、低通滤波器组成。相位累加器由 N 位加法器和 N 位累加器寄存器级联组成。每来一 个时钟脉冲触发，加法器将频率控制字和累加寄存器输出的累加相位数据相加，然后把相加的结果送到累加寄存器的输出端。累加寄存器把加法器在上个时钟作用时产生相位数据反馈到加法器的输入端，以便下次加法器在下一个脉冲出发时继续
13、与频率控制字相加。因此，相位累加器在时钟的作用下，不停地对频率控制字进行线性相加，当相位累加器累加满量程时，就会产生一次溢出，完成一个周期动作，这个周期就是 DDS 所合成信号的一个频率周期 7。 图 2-1 DDS 基本结构框图 在系统时钟不变的情况下，通过相位增量的改变来实现频率的改变 ，计算公式为： tftP 2 （ 2-1） 经过转换得合成信号的频率为： 2/)()2/( c lkfPtPf （ 2-2） 其中 P 为相位变化， 为角频率， t 为时钟周期， clkf 为时钟频率。由（ 2-2）式可知，改变向未知 P ，就可以改变合成信号的频率 f 。由于 N位相位累加器- 7 - 对
14、 2 进行量化，即对 2 取 2N个点，则 P 可取 0到 2N-1。将其代入公式（ 2-2）得 NclkFC fWf 2/)( （ 2-3） 其中 WFC为频率控制字，取值为 0 到 2N-1。将这种变化的相位 /幅值量化的数字信号通过 D/A 转换 ,即可得到合成的相位变化的模拟信号； clkf 为系统时钟； f为输出信号的频率，单位是 Hz。 2.2 总体设计方案 本次设计输出为正弦波，由液晶显示波形的频率和步长值。频率通过按键来调节， 实现 0.1Hz-30Mhz 的正弦波波形输出 ；步长的调节由键盘控制，最小步长为 0.1Hz。确定系统结构如图 2-2 所示。 图 2-2 总体方案结
15、构图 本次设计的设计思想是：首先由键盘手动向单片机输入所需频率值，通过单片机 C8051控制 DDS模块（ AD9851），根据设定频率的频率值产生正弦波信号。同时还可以通过键盘改变调节频率大小；液晶显示模块采用 HS12232-9液晶显示模块，可显示频率和步长值，易于调节； AD9851受单片机控制输出所需的波形。 本文采用单片机 C8051F005 控制 AD9851 芯片实现正弦信号发生器的设计方案。 单片机的主要工作是接收键盘输入的键值，包括步长大小，频率增加或减小，再通过键值解释程序执行相应的操作。单片机接受到需要产生的频率的数据后，再通过运算得出 AD9581 产生该频率所需的频率
16、控制字，在时序控制下，把数据写入 AD9851 的各个寄存器中，从而产生所需的信号。 键盘输入电路， 主要是 以单片机 C8051 为核心，配以 1 4 的按键矩阵。当单片 机扫描到有键值输入时，- 8 - 通过键值判断，处理相应的键值。 波形的产生主要是通过单片机对芯片写入相应的频率控制字，通过步长的调节，来改变频率，实现波形的频率在规定范围内的随意调节。 显示部分采用 HS12232-9液晶模块来实现， HS12232-9为 15 2字符型 LCD，即在显示频上可同时显示两行内容，每行 15个字符，可显示当前频率和步长。 - 9 - 3 硬件电路的设计 整个电路硬件部分包括单片机模块、 DDS 模块、键盘输入模块、 LCD 液晶模块等。下面分别对各个模块及各模 块与单片机的接口进行介绍。 3.1 单片机和各个模块的接口电路 本设计采用的是 C8051F005 单片机来控制 AD9851 模块，使用 protel 软件绘制各个模块电路图。 图 3-1 单片机 C8051F005 系统电路 整个电路有时钟模块、复位电路、电源模块、晶振电路、液晶模块、 DDS 模块组成，如图 3-1所示。本次设计通过 P1 口连接 DDS 芯片，通过 P3 口连接液晶显示模块。 3.2 单片机与液晶接口电路 本次设计采用 HS12232-9 液晶显示模块，来显示频率和步长值。 液晶显示主
