1、 学号 ： 11440000 常 州 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ）（ 2015 届）题 目 多功能信号发生器的设计 学 生 XXX 学 院 信息科学与工程学院 专 业 班 级 电子 115 校内指导教师 何宝祥 专业技术职务 教 授 二 一五年六月多功能信号发生器的设计摘要：信号发生器在通信、教学、测量等领域应用十分广泛，是信号仿真实验中不可缺少的重要工具。本文通过分析现有多功能信号发生器的工作原理，根据提供的参数要求，决定采用DDS技术，以Atmel公司生产的AT89S52 单片机为主控机，且以DDS芯片AD9854作为系统信号产生的关键器件，设计出了一种输出频率高、分辨率高、低功耗
2、、能产生多种波形的多功能信号发生器。其中相关软件的设计使用C语言来完成。关键词：信号发生器，DDS技术， AD9854，AT89S52Design of multi-function generatorAbstract：Signal generator is widely used in communication, teaching, measurement and so on. It is an important tool in signal simulation experiment.In this paper, through the analysis of the working
3、principle of the existing multi function signal generator, according to the requirements of the parameters provided by, decided to use DDS technology, MCU AT89S52 of ATMEL company produces as the master machine and DDS chip AD9854 as signal system to produce the key devices, design a high output fre
4、quency, high resolution, low power consumption, produce a variety of waveforms of multifunctional signal generator. The design of the relevant software using C language to complete.Key Word: Signal Generating， DDS, AD9854, AT89S52目 录摘 要-IAbstract-1 绪论-11.1 信号发生器的发展和现状-21.2 信号发生器研究背景及其意义-22 信号发生器系统设计
5、-32.1 方案的原理、特点与选择依据- 32.2 系统总体设计-42.2.1 键盘输入方案论证-52.2.2 显示方案论证-53 系统硬件设计-63.1 单片机最小系统-63.1.1 最小系统的构成特点-63.1.2 AT89S52 的晶振及其连接方法-63.2 AT89S52 与 AD9854 的接口-83.3 键盘电路原理-113.3.1 独立式键盘结构的工作原理及接口-113.3.2 矩阵式键盘结构的工作原理-123.4 液晶显示电路-133.5 幅度调节电路-144 系统的软件设计-164.1 软件总体设计-164.2 主程序模块-164.3 信号产生软件的设计-184.4 人机交互
6、模块设计-204.4.1 键盘程序设计-204.4.2 显示程序设计-235 系统仿真和分析-266 系统调试-286.1 硬件调试-286.2 软件调试-287 实验数据和元器件清单-307.1 实验数据及分析-307.2 实际波形与失真度分析-317.3 实物制作-328 总结-34参考文献-35致谢-36附录-37常州大学本科生毕业设计(论文)01 绪论1.1 信号发生器的发展在今天，随着新材料技术和集成电路（integrated circuit）制造技术的发展，出现了许多体积小，性能优异的新型信号发生器。而面向控制是信号发生器的最大特点。新型信号发生器的优点很多，如低功耗、体积小巧、计
7、算和转换的速度快，价格低廉等。而信号发生器作为工程技术学科必备的装置，它的快速发展，对于工程技术学科有了很大的推进作用。在以下四个方面体现了信号发生器的发展：（1) CPU 功能增强CPU 在精度和运算速度的有了很大的提升。而为了提高精度和运算速度，信号发生器通常采用 16 位或 32 位的字长的 CPU 到和布尔处理机。例如 HDX801和 DG400 等性能优异的信号发生器。（2）内部资源增多随着制造水平的提高，在相同体积的情况下，能够在内部添加更多的资源。可以使用内部的串并行 I/O 接口来与外部装置通信，使用内置的定时器/ 计数器来产生中断功能，并且自带掉电保护和系统故障检测功能。而信
8、号发生器的容量也得到了提高，RAM 可达 1KB，ROM 也达到了 32KB，能够进行更大数据量的计算。为了能转换模拟信号和数字信号，通常还内置 A/D 和 D/A 转化器。（3）引脚的多功能化由于芯片内置功能的不断增加，为了使用这些功能，必须增加芯片的引脚数量。例如：当信号发生器寻址为 1MB 大小时，必须使用 8 条数据线和 20 条地址线才能完成 2。但是芯片的引脚太多会使得制造成本和制造难度大大提高，也增大了芯片的体积，不利于单片机使用的灵活性。为了在不影响芯片功能的前提下，可以采用一脚多用的方案来减少引脚的数量。（4）低电压和低功耗常州大学本科生毕业设计(论文)1在实际应用中，为了节
9、约能源，或者条件所限，信号发生器必须能够在较低的电压环境下工作。同时满足低功耗的设计要求。为了达到这个目的，通常使用互补金属氧化物工艺。1.2 信号发生器研究背景及其意义信号发生器的技术发展到今天,其中的关键技术仍然被国外的几家大公司所掌握, 如日本的 Tektronix、 Agilent 、横河等。美国的 FLUKE 公司生产的FLUKE-25 函数信号发生器性能强大，所产生的正弦波和三角波失真度小，最高可达 5MHZ 的频率，幅值也能达到 10Vpp3。国内信号发生器的起步比较晚，但随着技术的积累和进步，已经能够逐渐达到国际平均水平。如中国电子科技集团公司的 AV1445 通信矢量信号发生
10、器、固纬电子公司的 SFG-2110 数字合成函数信号发生器。信号发生器在科学研究和生产生活领域有着非常广泛的应用，例如在广播、通信、电视系统中，都需要射频发射。通过载波，把低频的音频或脉冲信号发射出去，就需要高频的振荡器。而在农业、工业、医学等领域，如熔炼、淬火、核磁共振、超声诊断等，都需要频率或低或高、功率或小或大的振荡器。随着我国科学技术和经济的快速发展，对测试手段和测试仪器也有了更大的要求，而开发在测试环节中占用重要地位的信号发生器，具有十分重要的意义。常州大学本科生毕业设计(论文)22.信号发生器总体设计2.1 方案的原理、特点与选择依据方案一：通过锁相频合成的办法,全部使用硬件电路
11、来实现。使用 IC145152 芯片来搭建锁相电路，此电路可以输出稳定性很好的正弦波，再连接过零比较器，将正弦波转换成方波，通过积分电路转换成三角波。该方案具有较高的成本,且会产生过多的杂散分量,难以达到较高的频谱纯度。设计也更加复杂一点，不利于大规模的生产制造，不易实现。但此方法的最大优势在于,运行的速度较高,适用于需要高速运算的应用场景。方案二：使用波形产生芯片 MAX038 来直接生成波形.优点:频率范围从 0.1Hz 到 20MHz,最高可达 40MHz。调节占空比时不会影响频率,反之亦然,且占空比调节范围大。本方案波形失真小，精确度高，功耗低。缺点：此方案成本较高，不利于大规模生产。
12、方案三：通过 51 单片机来控制 DAC 芯片，从而输出波形。这个方案中，可以使用编程的方法来改变波形的幅度和频率。此方案产生的波形十分稳定，且具有较高的精确度，电路的元器件也很少，成本较低，适合大规模生产。但电路产生波形的分辨率不太理想，频率十分有限。流程图如 2-1 所示。图 2-1 51 单片机作为发生装置按键复位89C51D/A 转换波形输出常州大学本科生毕业设计(论文)3方案四：通过采用 AT89S52 单片机，AD9854（DDS）和数字模拟转换技术来实现目标。AD9854 作为 DDS 芯片用以产生波形。通过键盘输入模块，可以通过简单的并行或串行通信接口与单片机转换为芯片频率相位
13、控制字，可以方便的调节信号的频率。AD7520 芯片在 AT89S52 单片机的控制下调整信号幅度。通过采用 AD9854 芯片，由于它相对高的稳定性和非线性失真的较小，所以所产生的波动是比较小的。波形的产生过程由单片机实现。所以理论上我们可以写一个程序来生成任意波形。该系统不仅结构简单，易于实现，而且它具有一定的理论和实践价值。流程图如 2-2 所示。图 2-2 总体模块设计方案的确定：方案三的最大特点就是简洁高效，能够最简单的实现任务要求，成本低，且方便纠错,但可调频率太低,不能进行实际的应用。而方案一电路结构复杂，干扰因素较多，不能简洁的完成要求。方案二能够更加精准的产生波形，但比方案三
14、的成本高出太多，不切合实际。方案四的成本虽然比其他要高,但能实现高频率波形的输出,稳定性高,失真度小。所以选方案四。2.2 系统总体设计本设计的目标是设计一个多功能信号发生器，它能够输出多种波形。且该信号发生器输出信号的频率范围很大，为 20Hz 至 2MHz，还能调节波形的幅度。这样，由于单片机本身的硬件限制，不能作为信号的发生装置，只能作为控制装置。发生装置则只能使用 DDS 或者 FPGA 才能完成任务。该信号发生器有以下几部分组成：控制模块、按键及其显示模块、低通滤波模块、运放模块。基本原理：单片机控制 DDS 芯片方案AT89S52 单片机显示屏信号产生模块AD9854键盘 波形输出
15、常州大学本科生毕业设计(论文)4在本方案中，控制电路使用单片机来实现，连接其它的外围电路，如键盘，显示等。它能对信号的产生、处理、显示加以控制。并使用低通滤波电路和信号放大电路来对信号进行处理。而最为关键的信号发生，则采用 DDS 芯片中的AD985X 系列芯片来实现。该芯片具有速度快、精确度高、分辨率高的优点，能够满足电路设计的参数要求。2.2.1 键盘输入方案论证方案一：采用矩阵式键盘。矩阵式键盘的原理十分简单。键盘由行线和列线组成，按键安放在行线和列线的交叉点。使用时是通过检测线路导通与否来确定是否有按键被按下。方案二：编码式键盘。芯片 74LS148 与所有的按键相连，当没有按键按下时
16、，74LS148 收不到信号。当有按键按下时，该按键所对应的键码，就会传输到芯片内，从而执行相应的任务。方案三：可以选择 zlg7289 作为键盘，它不但能够与单片机进行通信，还能消除抖动，避免输入错误。还能的自动扫描键盘，提高了单片机的效率。2.2.2 显示方案论证方案一：使用 LED 数码管来显示。LED 数码管由八个发光的二极管组成，可以显示所有的数字和 A、B、C、D、E、F 六个字母。但在本设计中，需要显示波形的种类和具体的参数，如果使用该方案的话，需要较多的数码管才能完成，成本较高。方案二：使用 LCD 液晶显示。LCD 液晶显示器是一种专门用来显示字母、符号、数字的装置。与 LED 数码管不同，LCD 液晶显示器是点阵式的，所以它显示的信息比 LED 要多，也更加美观，所以选择方案二。
