SDR直接數(shù)字頻率系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 學(xué)科分類號(hào) 0712 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目（中文） SDR直接數(shù)字頻率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) （英文）SDR Direct digital frequency synthesis system design and Implementation 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 系別：物理與信息工程系 專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師： 起止日期：2011年12月-2012年5月 2012年 5 月 1 日懷化學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文不含任何其他個(gè)

2、人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的成果。對(duì)論文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由作者承擔(dān)。本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：年 月 日目 錄摘 要I關(guān)鍵字IAbstractIKey wordsII1 前言12 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求32.1 設(shè)計(jì)任務(wù)32.2 設(shè)計(jì)的技術(shù)要求33 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案比較33.1 整體設(shè)計(jì)方案43.1.1 MCU的選擇43.1.2 DA的選擇63.1.3 運(yùn)算放大器的選擇83.1.4 硬件總體設(shè)計(jì)方案93.2 軟件總體設(shè)計(jì)方案93.2.1 軟件設(shè)計(jì)思路93.2.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹104 硬件單元電路設(shè)計(jì)114.1 電源電路114.2 微控制器模

3、塊的設(shè)計(jì)114.2.1 STC89C52單片機(jī)介紹124.2.2 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路134.3 DA轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)144.4 電壓轉(zhuǎn)化模塊及信號(hào)放大模塊設(shè)計(jì)194.5 鍵盤模塊設(shè)計(jì)214.6 濾波電路設(shè)計(jì)215 結(jié)論22參考文獻(xiàn)22致 謝24附錄A25附錄B32附錄C33附錄D34SDR直接數(shù)字頻率合成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)摘 要 SDR(Software Definition Radio),“軟件定義的無(wú)線電”。 軟件定義的無(wú)線電(SDR)是無(wú)線電廣播通信技術(shù)，它基于軟件定義的無(wú)線通信協(xié)議而非通過(guò)硬件連線實(shí)現(xiàn)。換言之，頻帶、空中接口協(xié)議和功能可通過(guò)軟件下載和更新來(lái)升級(jí)，而不用完全更換

4、硬件。SDR針對(duì)構(gòu)建多模式、多頻和多功能無(wú)線通信設(shè)備的問(wèn)題提供有效而安全的解決方案。SDR能夠重新編程或配置，從而通過(guò)動(dòng)態(tài)加載新的波形和協(xié)議可使用不同的波形和協(xié)議操作。這些波形和協(xié)議包含各種不同的部分，其中有調(diào)制技術(shù)、在軟件中定義為波形本身的一部分的安全和性能特性。本設(shè)計(jì)主要是用單片機(jī)結(jié)合DAC0832進(jìn)行直接頻率合成，產(chǎn)生一個(gè)正弦波，然后通過(guò)LM324對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。正弦波的頻率和幅度不受限，兩者可以調(diào)節(jié)。關(guān)鍵字軟件無(wú)線電；單片機(jī)；直接頻率合成；正弦波SDR Direct digital frequency synthesis system design and Implementation

5、AbstractSDR mens Software Definition Radio.Software Defined Radio (SDR) is a radio communication technology,which is based on the software defined radio communication protocol rather than via a hardwired implementation. In other words, band, air interface protocols and functions through software dow

6、nload and update to upgrade, without a complete replacement of hardware. SDR to construct multimode, multi frequency and multi functional wireless communication equipment problems to provide effective and safe solution. SDR is able to reprogram or reconfigured, through the dynamic loading of new wav

7、e and protocol can be used with different waveforms and protocol operations. These waveforms and agreement contains a variety of different parts, including the modulation technology in software defined as waveform,itself a part of the safety and performance characteristics.This design is mainly usin

8、g single-chip combination of DAC0832 direct frequency synthesis, produces a sine wave, and then through the LM324 to amplify the signal.The sine wave frequency and amplitude is not restricted, they can be adjustable.Key wordsSoftware radio; signal chip microcomputer; direct frequency synthesis; sine

9、 waveII1 前言從歷史發(fā)展的階段來(lái)看，要產(chǎn)生一個(gè)正弦波形，共經(jīng)歷了以下五個(gè)階段。最初是用簡(jiǎn)單的LC振蕩電路產(chǎn)生,采用并聯(lián)諧振的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)選頻，這種類型的振蕩器構(gòu)造最簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但是穩(wěn)定性比較低。第二是采用SAW諧振器，即表面聲波，它是用電能驅(qū)動(dòng)，使物體產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。SAW諧振器的穩(wěn)定度為30KHZ，而LC振蕩電路的穩(wěn)定度是100KHZ左右。由于穩(wěn)定度的提高，SAW諧振器有取代LC的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的發(fā)展，石英晶體振蕩應(yīng)運(yùn)而生。晶體的物理特性決定振蕩器的參數(shù)，它的穩(wěn)定度較高，但是它產(chǎn)生的頻率比較低，依照這種特性，使用晶體的思路產(chǎn)生了。晶體振蕩器可以通過(guò)倍頻產(chǎn)生高頻。第四是合成器產(chǎn)生

10、控制，即PLL（鎖相環(huán)）壓控振蕩，直接合成所需的頻率。直接合成的頻率往往存在偏差，但是可以通過(guò)控制相位來(lái)控制偏差。直接數(shù)字頻率合成，其頻率穩(wěn)定，相位和振幅都非常精確。到了現(xiàn)當(dāng)代，隨著無(wú)線通信的發(fā)展，軟件無(wú)線電的思想被提了出來(lái)。 軟件無(wú)線電的基本思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各種功能，從基于硬件、面向用途的電臺(tái)設(shè)計(jì)方法中解放出來(lái)。功能的軟件化實(shí)現(xiàn)要求減少功能單一、靈活性差的硬件電路，尤其是減少模擬環(huán)節(jié)，把數(shù)字化處理（A/D和D/A變換）盡量靠近天線。軟件無(wú)線電強(qiáng)調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和全面可編程性，通過(guò)軟件更新改變硬件配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的功能。軟件無(wú)線電采

11、用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開(kāi)放式總線結(jié)構(gòu)，以利于硬件模塊的不斷升級(jí)和擴(kuò)展，其采用的方法是用數(shù)字合成正弦的模擬信號(hào)，然后通過(guò)DA轉(zhuǎn)換，得到所需頻率的波形，它的重點(diǎn)是數(shù)字頻率合成。20世紀(jì)7080年代，無(wú)線電由模擬向數(shù)字全面發(fā)展，從無(wú)編程向可編程發(fā)展，由少可編程向中等可編程發(fā)展，出現(xiàn)了可編程數(shù)字無(wú)線電（PDR）。由于無(wú)線電系統(tǒng)，特別是移動(dòng)通信系統(tǒng)的領(lǐng)域的擴(kuò)大和技術(shù)復(fù)雜度的不斷提高，投入的成本越來(lái)越大，硬件系統(tǒng)也越來(lái)越龐大。為了克服技術(shù)復(fù)雜度帶來(lái)的問(wèn)題和滿足應(yīng)用多樣性的需求，特別是軍事通信對(duì)寬帶技術(shù)的需求，提出在通用硬件基礎(chǔ)上利用不同軟件編程的方法。20世紀(jì)80年代初開(kāi)始的軟件無(wú)線電的革命，把無(wú)線電的功能和

12、業(yè)務(wù)從硬件的束縛中解放出來(lái)。 1992年5月在美國(guó)通信系統(tǒng)會(huì)議上，Jeseph Mitola（約瑟夫米托拉）首次提出了“軟件無(wú)線電”（Software Radio，SWR）的概念。1995年IEEE通信雜志（Communication Magazine）出版了軟件無(wú)線電專集。當(dāng)時(shí)，涉及軟件無(wú)線電的計(jì)劃有軍用的SPEAKEASY（易通話），以及為第三代移動(dòng)通信（3G）開(kāi)發(fā)基于軟件的空中接口計(jì)劃，即靈活可互操作無(wú)線電系統(tǒng)與技術(shù)（FIRST）。1996年3月發(fā)起“模塊化多功能信息變換系統(tǒng)”（MMITS）論壇，1999年6月改名為“軟件定義的無(wú)線電”（SDR）論壇。1996年至1998年間，國(guó)際電信聯(lián)

13、盟（ITU）制訂第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的研究組對(duì)軟件無(wú)線電技術(shù)進(jìn)行過(guò)討論，SDR也將成為3G系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。從1999年開(kāi)始，由理想的SWR轉(zhuǎn)向與當(dāng)前技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)的軟件無(wú)線電，即軟件定義的無(wú)線電（Software Defined Radio，SDR）。1999年4月IEEEJSAC雜志出版一期關(guān)于軟件無(wú)線電的選集。同年，無(wú)線電科學(xué)家國(guó)際聯(lián)合會(huì)在日本舉行軟件無(wú)線電會(huì)議。同年還成立亞洲SDR論壇。1999年以后，集中關(guān)注使SDR的3G成為可能的問(wèn)題。2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)可以產(chǎn)生正弦波的系統(tǒng)。2.2 設(shè)計(jì)的技術(shù)要求 要求輸出的波形用示波器觀察沒(méi)有明顯的失真，產(chǎn)生的波形幅度沒(méi)

14、有特殊限制，可以單一也可以是可調(diào)的，在頻率方面，當(dāng)按下不同的按鍵時(shí)，可以產(chǎn)生出多種頻率的正弦波，在本設(shè)計(jì)中是產(chǎn)生兩種或以上頻率的正弦波。3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案比較 根據(jù)設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，我制定出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并且通過(guò)比較論證，選擇了合適的器件。采用STC89C52單片機(jī)作為控制的核心芯片，DAC0832對(duì)單片機(jī)輸?shù)牡碾妷鹤鰯?shù)模轉(zhuǎn)換，LM324運(yùn)放對(duì)經(jīng)過(guò)DAC0832處理后的信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到產(chǎn)生一個(gè)正弦波的目的，加入一個(gè)獨(dú)立按鍵，當(dāng)按下按鍵時(shí)，產(chǎn)生出另外一種頻率的正弦波，在LM324的輸出端加入一個(gè)低通濾波器，對(duì)輸出的波形進(jìn)行平滑處理，得到規(guī)則的正弦波。3.1 整體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)能

15、產(chǎn)生正弦波的系統(tǒng)，產(chǎn)生的波形用示波器觀察沒(méi)有明顯失真。根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、DA模塊、信號(hào)放大模塊構(gòu)成，鍵盤控制模塊。系統(tǒng)框圖如3.1所示?？刂颇K電源模塊DA轉(zhuǎn)換模塊信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換模塊鍵盤控制模塊塊濾波模塊圖3.1 系統(tǒng)框圖為了較好實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。3.1.1 MCU的選擇 近年來(lái)，單片機(jī)的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，為智能裝置的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的便利。但在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中選擇合適的的MCU帶來(lái)了很大的困難。 方案1：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、I/O資源豐富、易于進(jìn)行

16、功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求也不是很高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我放棄了此方案。方案2：采用凌陽(yáng)公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其使用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU自源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其他任務(wù)的速度和能力降低。由于本系統(tǒng)主要是要結(jié)合DA產(chǎn)生一個(gè)正弦波就可以了，所以沒(méi)有必要使用位數(shù)這么多的單片機(jī)，從系統(tǒng)的穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)方

17、面我放棄了使用這種類型的單片機(jī)。方案3：采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為主控制器。AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。且該系列的51單片機(jī)可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以像單片機(jī)中下載程序。但是考慮到本系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能不要如此高檔的控制芯片，因此我不選擇此方案。 方案4：采用Atmel公司的STC89C52單片機(jī)作為主控制器。STC89C52單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代告訴/低功耗超強(qiáng)抗干擾

18、能力的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，12時(shí)鐘機(jī)器周期和6時(shí)鐘機(jī)器周期可以任意選擇。片內(nèi)含8K空間可反復(fù)擦寫10000次的Flash只讀存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。 從方便使用和經(jīng)濟(jì)角度的考慮，我選擇了方案4。3.1.2 DA的選擇方案一：使用DAC7512，DAC7512是TI公司生產(chǎn)具有內(nèi)置緩沖放大器低功耗單片12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其片內(nèi)高精度輸出放大器可獲得滿幅（供電電源電壓與地電壓間）任意輸出。DAC7512帶有一個(gè)時(shí)鐘達(dá)30MHz通用三線串行接口，因而可以接入高速DSP。其接口與SPI、QSPI、Microwire及DSP接口兼容，因而可與

19、intel系列單片機(jī)、Motorola系列單片機(jī)直接連接而無(wú)需任何其他接口電路。由于DAC7512串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器可以選擇供電電源來(lái)作為參考電壓，印而具有很寬動(dòng)態(tài)輸出范圍。此外，DAC7512數(shù)模轉(zhuǎn)換器還具有三種關(guān)斷工作模式。正常工作狀態(tài)下，DAC7512在5V電壓下功耗僅為0.7mW，而省電狀態(tài)下功耗為1W。因此，低功耗DAC7512無(wú)疑是便攜式電池供電設(shè)備理想器件。但是考慮到本設(shè)計(jì)的任務(wù)并不要產(chǎn)生一個(gè)精度很高的正弦波，從經(jīng)濟(jì)和合適性方面考慮，我放棄了這個(gè)方案。方案2：使用TLC5615。TLC5615是10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，一個(gè)16位移位寄存器，接受串行移入的二進(jìn)制數(shù)，并且有一個(gè)級(jí)聯(lián)的數(shù)據(jù)輸出

20、端DOUT；并行輸入輸出的10位DAC寄存器，為10位DAC電路提供待轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)；電壓跟隨器為參考電壓REFIN提供很高的輸入阻抗。具有串行接口，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準(zhǔn)電壓的兩倍。帶有上電復(fù)位功能，即把DAC寄存器復(fù)位至全零。性能比一般的電流型輸出的DAC要好。只需要通過(guò)3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入，易于和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微處理器或微控制器（單片機(jī)）接口，適用于電池供電的測(cè)試儀表、移動(dòng)電話，也適用于數(shù)字失調(diào)與增益調(diào)整以及工業(yè)控制場(chǎng)合。由于設(shè)計(jì)的目的只要產(chǎn)生一個(gè)正弦波，輸出的波形只要無(wú)明顯失真即可。所以本設(shè)計(jì)沒(méi)有必要采用10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器。方案3：采用DAC0832。D

21、AC0832是使用非常普遍的8位D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1s，工作電壓為+5V到+15V，基準(zhǔn)電壓為10V。它主要由兩個(gè)8位寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。使用兩個(gè)寄存器（輸入寄存器和DAC寄存器）的好處是可以進(jìn)行兩級(jí)操作，是該操作有更大的靈活性，其轉(zhuǎn)換原理與T型解碼網(wǎng)絡(luò)一樣，由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機(jī)接口。DAC0832以電流形式輸出，當(dāng)輸出需要轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)，可外接運(yùn)算放大器。本設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)換精度要求不是很高，輸出的波形要求也一般，從經(jīng)濟(jì)和方便的角度考慮，我選擇了方案3。3.1.3 運(yùn)算放大器的選擇方案一：采用OP07，OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大

22、器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對(duì)于OP07A最大為25V），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場(chǎng)合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低（OP07A為2nA）和開(kāi)環(huán)增益高（對(duì)于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測(cè)量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號(hào)等方面。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)對(duì)放大倍數(shù)的要求不是很高，主要是起對(duì)DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的作用，從節(jié)約成本來(lái)看，我放棄了此方案。方案2：uA741M，uA741I，uA741C（單運(yùn)放）是高增益運(yùn)算放大器，用于軍事，工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用.這類單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)

23、和閉鎖自由運(yùn)作這些類型還具有廣泛的共同模式，差模信號(hào)范圍和低失調(diào)電壓調(diào)零能力與使用適當(dāng)?shù)碾姟５沁@些芯片的價(jià)格都比較高并且都是單運(yùn)放，而在本設(shè)計(jì)中我將用到兩級(jí)放大，考慮到經(jīng)濟(jì)和設(shè)計(jì)的方便性，我放棄了此方案。方案3：用TL082。TL082是以通用的J-FET雙運(yùn)放放大器。它有較低的輸入偏置和偏移電流；輸出設(shè)有短路保護(hù)；輸入級(jí)具有較高的輸入阻抗；內(nèi)建頻率補(bǔ)償電路；較高的壓擺率。最大的工作電壓為18V。這種運(yùn)放比較高檔，在本設(shè)計(jì)中不需要如此高檔的運(yùn)放，并且其價(jià)格也比較高，所以我放棄了此方案。方案4：用LM324。LM324系列器件為價(jià)格偏移的帶有真差動(dòng)輸入的四運(yùn)放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放

24、大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四運(yùn)放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流大致為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一（對(duì)每一個(gè)放大器而言）。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。輸出電壓范圍也包含負(fù)電源電壓。此運(yùn)放很適合本設(shè)計(jì)需要用到的運(yùn)放，并且其價(jià)格低廉，因此我選擇了方案4。3.1.4 硬件總體設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，我最終確定如下方案：1：采用STC89C52單片機(jī)做主控制器。2：用DAC0832，8位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片對(duì)單片機(jī)I/O的信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。3：用LM324運(yùn)算放大器對(duì)DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并進(jìn)行兩級(jí)的放大，

25、同時(shí)在第二級(jí)的時(shí)候加入滑動(dòng)變阻器，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的幅度可調(diào)。4：設(shè)計(jì)一個(gè)鍵盤模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出不同波形的鍵控。5：設(shè)計(jì)一個(gè)濾波電路，對(duì)采樣得到的梯形狀波形進(jìn)行平滑濾波。3.2 軟件總體設(shè)計(jì)方案3.2.1 軟件設(shè)計(jì)思路將一個(gè)周期的正弦波的幅值量化為0-255，將這256個(gè)值存在程序空間里面，單片機(jī)定時(shí)依次循環(huán)取出這些值送到DAC0832轉(zhuǎn)換器，DA輸出后經(jīng)過(guò)LM324進(jìn)行電源到電壓的轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行一定的放大，加入滑動(dòng)變阻器就可以得到一個(gè)幅度可調(diào)的正弦波了。并且當(dāng)按下不同的鍵盤時(shí)候，通過(guò)鍵盤檢測(cè)，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出不同頻率的波形的控制。3.2.2 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹編程語(yǔ)言選用C語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言作為傳統(tǒng)的嵌入式

26、系統(tǒng)的編程語(yǔ)言，具有執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其本身是低級(jí)語(yǔ)言，編程效率較低，可移植性和可讀性差，維護(hù)極不方便。而C語(yǔ)言以其結(jié)構(gòu)化，容易維護(hù)，容易移植的優(yōu)勢(shì)滿足開(kāi)發(fā)的需要。MCS-51是支持C語(yǔ)言編程的編譯器，它主要有兩種：Franklin C51編譯器和Keil C51編譯器，我們簡(jiǎn)稱C51。C51是專為MCS-51開(kāi)發(fā)的一種高性能的C編譯器。由C51產(chǎn)生的目標(biāo)代碼的運(yùn)行速度極高，所需存儲(chǔ)空間極小，完全可以和匯編語(yǔ)言媲美。Keil軟件公司提供的專用8051嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具套件，可以編譯C源文件、匯編源文件、連接定位目標(biāo)模塊和庫(kù)、生成并調(diào)試目標(biāo)程序，為實(shí)際的每一種8051及其派生系列產(chǎn)品生成嵌入式

27、應(yīng)用系統(tǒng)。Keil C51交叉編譯器兼容ANSI（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）C編譯器，專用于為8051微控制器系列生成快速緊湊的目標(biāo)代碼。使用Keil 8051開(kāi)發(fā)工具套件，以工程的形式組織各種文件，工程開(kāi)發(fā)周期與任何其他軟件開(kāi)發(fā)工程的周期大致相同。Vision2 IDE是Keil公司提供的用于開(kāi)發(fā)MCS-51系列芯片的匯編語(yǔ)言與C程序的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序，同其他Windows應(yīng)用程序一樣，Vision2 IDE環(huán)境包括菜單、工具條、編輯及顯示多種窗口。Vision2 IDE支持使用的Keil C51工具，包括C編譯器、宏匯編器、連接定位器、目標(biāo)代碼到HEX的轉(zhuǎn)換器。4 硬件

28、單元電路設(shè)計(jì)這里主要講述了以STC89C52為主要控制器，設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件電路。主要硬件電路有：電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、DA轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊（電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)）、鍵盤控制電路、濾波電路。4.1 電源電路 STC89C52需要5V的正電源供電，而在信號(hào)放大部分所用到的LM324是采用15V電源供電，所以需要設(shè)計(jì)一個(gè)電源電路為系統(tǒng)供電。電源電路如圖4.1所示。圖4.1 5V電源電路 上圖給出的是產(chǎn)生5V電壓輸出的電路，當(dāng)把圖中的7805相應(yīng)換成7815和7915，并且將初級(jí)的濾波電解電容換成4700F時(shí)便能輸出分別為+15V和-15V的電壓。4.2 微控制器模塊的設(shè)計(jì)4.2.1 STC

29、89C52單片機(jī)介紹 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定

30、時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選。其引腳部分圖如圖4.2所示。圖4.2 STC89C52引腳圖 具體引腳及功能介紹如下： 主電源引腳(2根) VCC(Pin40)：電源輸入，接+5V電源 GND(Pin20):接地線 外接晶振引腳(2根) XTAL1(Pin19):片內(nèi)震蕩電路的輸入端 XTAL2(Pin18):片內(nèi)震蕩電路的輸出端 控制引腳(4根) RST/VPP(Pin9):復(fù)位電路，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位 ALE/PROG(Pi

31、n30)：地址鎖存允許信號(hào) PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) EA/VPP(Pin31):程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 可編程輸入/輸出引腳(32根) STC89C52單片機(jī)油4組8為的可編程I/O口，分別是P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位(8根引腳)，共32根。 P0口(Pin32-Pin39):8位雙向I/O口線，名稱為P0.0-P0.7 P1口(Pin1-Pin8)：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0-P1.7P2口(Pin21-Pin28)：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0-P2.7P3口(Pin

32、10-Pin17)：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0-P3.74.2.2 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖4.3所示。主要包括復(fù)位電路、晶振電路、以及各種濾波電容。圖4.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.3 DA轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，我是用到的DA其型號(hào)是DAC0832，DAC0832的主要特性如下： 8位分辨率； 電流建立時(shí)間1s； 數(shù)據(jù)輸入可采用雙緩沖、單緩沖或直通方式； 輸出電流線性度可在滿量程下調(diào)節(jié)； 邏輯電平輸入與TTL電平兼容； 單一電源供電（+5V+15V）； 低功耗，20mW。 DAC0832芯片為20腳雙列直插式封裝，其引腳部分如圖4.

33、4所示。圖4.4 DAC0832引腳圖 DAC0832各引腳功能如下所述：D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時(shí)間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò))； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效； CS：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于

34、500ns）有效。由WR2、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時(shí)，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時(shí)將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開(kāi)始D/A轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號(hào)輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； VCC：電源輸入端，VCC的范圍為+5V+15V； VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V； AGND：模擬信號(hào)地； DGND：數(shù)字信號(hào)地。 在這里介紹一下DAC的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)：分辨率。DAC電路所能

35、分辨的最小輸出電壓與滿量程輸出電壓之比稱為DAC的分辨率。最小輸出電壓是指輸入數(shù)字量只有最低有效位為1時(shí)的輸出電壓，最大輸出電壓是指輸入數(shù)字量各位全為1時(shí)的輸出電壓。DAC的分辨率可以用下式表示：分辨率=1/（2n-1）式中，n表示數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)。 對(duì)于本設(shè)計(jì)中用到的8位DAC，分辨率為1/（28-1）=0.0392。轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用滿量程FSR（Full Scale Range）的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。例如，一個(gè)DAC的線性誤差為0.05%，就是說(shuō)轉(zhuǎn)換誤差是滿量程輸出的百分之五。有時(shí)轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位LSB（Least Significient Bit）的倍數(shù)表示。例如，一個(gè)DAC的轉(zhuǎn)換

36、誤差是LSB/2，則表示輸出電壓的轉(zhuǎn)換誤差是最低有效位（LSB）為1時(shí)輸出電壓的1/2。DAC的轉(zhuǎn)換誤差主要有失調(diào)誤差和滿值誤差。失調(diào)誤差是指輸入數(shù)字量全為0時(shí)，模擬輸出值與理論輸出值的偏差。在一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過(guò)外部電路調(diào)整措施進(jìn)行補(bǔ)償，也有些DAC芯片本身有調(diào)零端進(jìn)行調(diào)零。對(duì)于沒(méi)有設(shè)置調(diào)零端的芯片，可以采用外接校正偏置電路加到運(yùn)放求和端來(lái)消除。滿值誤差又稱增益誤差，是指輸入數(shù)字量全為1時(shí)，實(shí)際輸出電壓不等于滿量程的偏差。滿值誤差通過(guò)調(diào)整運(yùn)放的反饋電阻加以消除。DAC產(chǎn)生誤差的主要原因有：參考電壓Vref的波動(dòng)，運(yùn)放的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值偏差等原因。DAC的分辨率和轉(zhuǎn)換誤差共

37、同決定了DAC的轉(zhuǎn)換精度。要使DAC的精度高，不僅要選擇位數(shù)高的DAC，還要選用穩(wěn)定度高的參考電壓Vref和低漂移的運(yùn)算放大器與其配合。在本設(shè)計(jì)中，由于選用的DAC的位數(shù)不高，所以要選用穩(wěn)定度高的運(yùn)放以及盡量減小參考電壓的漂移。在本設(shè)計(jì)中用到的模數(shù)轉(zhuǎn)換具體電路圖如圖4.5所示。圖4.5 DAC0832連接電路圖分析如下：控制端只有CSDA和WR信號(hào)與單片機(jī)相連，當(dāng)CSDA置低后，該芯片被選中，此時(shí)對(duì)該芯片的操作才有效。Vref接Vcc，即5V電壓，說(shuō)明該D/A的參考電壓為5V，其模擬信號(hào)輸出一定在D*k*5（D為數(shù)字輸入量，k為一比值，與內(nèi)部電路有關(guān)）。Iout1為該D/A芯片電流輸出端，Io

38、ut1+Iout2=常數(shù)，該常數(shù)約為330A,其電流非常小，其中關(guān)于Iout1和Iout2的算法公式如下： Iout2可以不用它，直接接地即可。4.4 電壓轉(zhuǎn)化模塊及信號(hào)放大模塊設(shè)計(jì) 由于DAC0832的輸出時(shí)電流信號(hào)，要想在示波器上觀察到正弦波形，需要把電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使之轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，另外，DAC0832的輸出信號(hào)非常弱，前面講到過(guò)，它的輸出只有300A，故需要進(jìn)行放大。在這里用到的運(yùn)放是LM324，其引腳電路圖如圖4.6所示：圖4.6 LM324引腳示意圖LM324各引腳資料如下所述： 引腳2、3、5、6、9、10、12、13都是信號(hào)的輸入端，1、7、3、14為信號(hào)放大后的輸出，該芯

39、片可以采用15雙電源供電，分別接在芯片的4腳和11腳；也可以是第二種方式，把4腳接+5V，11腳接地。 剛開(kāi)始，我采用的是第二種方式，并且只用了一級(jí)放大，DAC0832的參考電壓設(shè)置為5V，結(jié)果輸出的波形效果很不好，后來(lái)經(jīng)過(guò)分析知道，這是因?yàn)檩敵龅碾妷悍纫呀?jīng)明顯超出了LM324所能輸出的范圍，出現(xiàn)了很大程度的失真。 經(jīng)過(guò)了幾番理論計(jì)算與測(cè)試，我先把DAC0832的參考電壓調(diào)整為2.5V，然后采用了如圖4.7所示的電路圖，將DAC0832輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大。圖4.7 信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大電路圖 DAC0832的輸出Iout1為電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)一級(jí)的反相放大并且電壓轉(zhuǎn)換之后變成了一個(gè)負(fù)的電壓信號(hào)，

40、再經(jīng)過(guò)一級(jí)的反相放大，我們就可以得到一個(gè)正的電壓信號(hào)，在第二級(jí)放大加入一個(gè)精密可調(diào)電位器R2，接成一個(gè)反饋放大電路，便可以調(diào)節(jié)第二級(jí)電壓的放大倍數(shù)Au，具體的放大倍數(shù)的計(jì)算公式如下： Au=1+R2/R3 在本設(shè)計(jì)中我用到的放大倍數(shù)為2，在這種放大倍數(shù)下，輸出的波形比較理想，無(wú)明顯失真，頻率也比較穩(wěn)定。4.5 鍵盤模塊設(shè)計(jì) 由于在本設(shè)計(jì)中要產(chǎn)生兩種及以上頻率的正弦波，所以在硬件的中加入了一個(gè)鍵盤控制模塊，當(dāng)按下鍵盤時(shí)，通過(guò)鍵盤掃描，會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生出預(yù)先設(shè)定頻率的正弦波。鍵盤電路如圖4.8所示。圖4.8 鍵盤模塊 在程序中設(shè)置一個(gè)鍵盤檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到其中的按鍵按下時(shí)，相應(yīng)的調(diào)用其中的一個(gè)產(chǎn)生正弦波的

41、子程序，從而輸出不同頻率的正弦波。4.6 濾波電路設(shè)計(jì) 由于本設(shè)計(jì)中用到的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片是8位，轉(zhuǎn)換的精度不是很高，在編寫程序的時(shí)候采樣的點(diǎn)只有40個(gè)，采樣出來(lái)的波形是由這些點(diǎn)在一定的程序延時(shí)之后以階梯狀顯示出來(lái)的，要想得到平滑的正弦波形，在輸出的最后需要加入一個(gè)低通濾波器進(jìn)行濾波。所用到的低通濾波器如圖4.9所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算截止頻率，各元件的參數(shù)在如圖4.9中所示。圖 4.9 低通濾波器 將LM324輸出的信號(hào)再經(jīng)過(guò)這個(gè)低通濾波器，就可以得到平滑的正弦波了。5 結(jié)論 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)鍵控可以產(chǎn)生出0.5kHz、1kHz、2kHz、3kHz,四種頻率的正弦波，通過(guò)示波器觀察，當(dāng)其幅度在14V以下時(shí)無(wú)

42、明顯失真，當(dāng)超過(guò)這個(gè)幅度后，便已經(jīng)超出了LM324輸出，將出現(xiàn)失真。另外由于本設(shè)計(jì)的要求不是很高，用到的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片是DAC0832，只有8位的轉(zhuǎn)換精度，且轉(zhuǎn)換時(shí)間為1s，速度稍慢，如果能換一個(gè)轉(zhuǎn)換精度更高，轉(zhuǎn)換時(shí)間更短的DAC，那么對(duì)正弦波的采樣點(diǎn)可以更多，輸出的正弦波形也就更加標(biāo)準(zhǔn)，頻率也更加穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)1 高吉祥，唐朝京.模擬電子技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2003.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)M.北京:高等教育出版社，2008.3 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程M北京：電子工業(yè)出版社，2009.4 高吉祥，唐朝京.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：高等教育出版社，2003.5 余錫存，曹國(guó)華.單片機(jī)原

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