畢業(yè)論文-基于單片機的信號發(fā)生器的設計

1、Abstract常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY畢 業(yè) 設 計 說 明 書題目：基于單片機的信號發(fā)生器的設計二級學院： 專 業(yè)： 班級： 學生姓名： 學號： 指導教師： 職稱： 評閱教師： 職稱： 2013 年 6 月 I摘 要在科學研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中,我們經(jīng)常會用到低頻信號發(fā)生器，而且，隨著信息技術的不斷發(fā)展，信號發(fā)生器也在不斷得進步，現(xiàn)在的信號發(fā)生器體積越來越小、功能越來越強、功耗越來越低、體積越來越小，在我們生活中的各個領域都得到了廣泛的應用。信號發(fā)生器即

2、簡易函數(shù)信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、方波、正弦波等。本文通過分析函數(shù)信號發(fā)生器進行原理和構(gòu)成，設計出產(chǎn)生三角波、鋸齒波、方波、正弦波的函數(shù)信號發(fā)生器。所設計的函數(shù)信號發(fā)生器以單片機(AT89C51) 系統(tǒng)為控制中心，由晶體振蕩電路、地址產(chǎn)生電路(直接數(shù)字頻率合成DDS)、波形產(chǎn)生電路、控制電路及串行通訊電路組成。本文采用了直接數(shù)字頻率合成技術，較大幅度的提高了輸出波形的頻率，可滿足輸出頻率20Hz-2MHz 的變化范圍；采用串行通訊電路可以直接方便的通過上位機改變波形的頻率,確定輸出波形的類型。關鍵詞：函數(shù)信號發(fā)生器，AT89C51，DDS，直接數(shù)字頻率合成 IIAbstr

3、actIn our scientific research, engineering, education and production practice, we often need to use low frequency signal generator, and, with the development of information technology, the signal generator is also in constant progress, volume and signal generator now smaller, more powerful, more and

4、 more low power consumption, the volume is more and more small, each field in our lives are widely used. Signal generator is a simple function signal generator, can produce a variety of waveforms, such as the triangle wave, sawtooth wave, square wave, sine wave. Through the analysis of the principle

5、 and constitute the function signal generator, can be designed to generate triangle wave, sawtooth wave, square wave, sine function signal generator.The combination of circuit to generate waveforms using AT89C51 MCU and DAC0832 digital-to-analog converter, this method is used in software filter, har

6、monic component and therefore would not produce spurious, the generated waveform of relatively pure. But it also has some advantages such as: low cost, high performance, stability of waves used in this way in the low frequency range, easy operation, small size, less power consumption etc.AT89C51 sin

7、gle-chip microcomputer as the core, the DAC0832 d/a converter device, using simulation software to design the hardware circuit, C language to write the driver, realize produce sine wave, triangle wave, square wave, sawtooth wave, etc. Several kinds of commonly used low frequency signal. Later after

8、the PCB production, buy the welding circuit, debugging of the circuit completed signal generator production, and can produce waveform.Keywords: AT89C51 MCU function ; signal generator ;DAC0832 DAC square wave triangle wave and sine wave sawtooth wave.目 錄 TOC h z t 標題11,1,標題22,2,標題33,3 HYPERLINK l _T

9、oc371339347 摘 要 PAGEREF _Toc371339347 h I HYPERLINK l _Toc371339348 Abstract PAGEREF _Toc371339348 h II HYPERLINK l _Toc371339349 第一章 引言 PAGEREF _Toc371339349 h 1 HYPERLINK l _Toc371339350 1.2信號發(fā)生器概述 PAGEREF _Toc371339350 h 1 HYPERLINK l _Toc371339351 1.3信號發(fā)生器的發(fā)展歷史 PAGEREF _Toc371339351 h 1 HYPERLIN

10、K l _Toc371339352 1.4信號發(fā)生器的發(fā)展特點 PAGEREF _Toc371339352 h 2 HYPERLINK l _Toc371339353 1.5單片機在低頻信號發(fā)生器中的應用 PAGEREF _Toc371339353 h 3 HYPERLINK l _Toc371339354 1.5.1具有優(yōu)異的性能價格比 PAGEREF _Toc371339354 h 3 HYPERLINK l _Toc371339355 1.5.2控制功能強 PAGEREF _Toc371339355 h 3 HYPERLINK l _Toc371339356 1.5.3集成度高、體積小、

11、可靠性高 PAGEREF _Toc371339356 h 3 HYPERLINK l _Toc371339357 1.5.4低電壓、低功耗 PAGEREF _Toc371339357 h 3 HYPERLINK l _Toc371339358 第二章 設計方案的確定 PAGEREF _Toc371339358 h 4 HYPERLINK l _Toc371339359 2.1 信號發(fā)生器的設計要求 PAGEREF _Toc371339359 h 4 HYPERLINK l _Toc371339360 2.2 設計方案的選擇 PAGEREF _Toc371339360 h 4 HYPERLINK

12、 l _Toc371339361 2.3本設計方案思路 PAGEREF _Toc371339361 h 4 HYPERLINK l _Toc371339362 2.4 DDS的原理 PAGEREF _Toc371339362 h 4 HYPERLINK l _Toc371339363 2.5相位累加器的邏輯設計 PAGEREF _Toc371339363 h 5 HYPERLINK l _Toc371339364 2.6 DDS性能特點 PAGEREF _Toc371339364 h 5 HYPERLINK l _Toc371339365 2.7技術指標和需要解決的主要問題 PAGEREF _

13、Toc371339365 h 6 HYPERLINK l _Toc371339366 第三章 硬件電路的設計 PAGEREF _Toc371339366 h 8 HYPERLINK l _Toc371339367 3.1系統(tǒng)硬件電路設計原則 PAGEREF _Toc371339367 h 8 HYPERLINK l _Toc371339368 3.2主控電路及主控芯片的選擇 PAGEREF _Toc371339368 h 8 HYPERLINK l _Toc371339369 3.2.1 AT89C51簡介 PAGEREF _Toc371339369 h 8 HYPERLINK l _Toc3

14、71339370 3.2.2 AT89C51管腳說明 PAGEREF _Toc371339370 h 9 HYPERLINK l _Toc371339371 3.2.3 AD9850芯片簡介 PAGEREF _Toc371339371 h 10 HYPERLINK l _Toc371339372 3.3 系統(tǒng)硬件電路基本組成 PAGEREF _Toc371339372 h 12 HYPERLINK l _Toc371339373 3.4 系統(tǒng)總體硬件框圖 PAGEREF _Toc371339373 h 12 HYPERLINK l _Toc371339374 3.5 鍵盤與顯示電路 PAGER

15、EF _Toc371339374 h 13 HYPERLINK l _Toc371339375 3.5.1 矩陣鍵盤的設計 PAGEREF _Toc371339375 h 13 HYPERLINK l _Toc371339376 3.5.2 LCD顯示器的設計 PAGEREF _Toc371339376 h 14 HYPERLINK l _Toc371339377 3.6 幅度調(diào)節(jié)的設計 PAGEREF _Toc371339377 h 15 HYPERLINK l _Toc371339378 3.7 AD9850外圍電路設計 PAGEREF _Toc371339378 h 15 HYPERLI

16、NK l _Toc371339379 3.7.1 晶振的選擇 PAGEREF _Toc371339379 h 15 HYPERLINK l _Toc371339380 3.7.2 AD9850與單片機接口電路 PAGEREF _Toc371339380 h 16 HYPERLINK l _Toc371339381 3.7.3 濾波電路 PAGEREF _Toc371339381 h 16 HYPERLINK l _Toc371339382 3.7.4 輸出接口電路設計 PAGEREF _Toc371339382 h 18 HYPERLINK l _Toc371339383 第四章 軟件設計 P

17、AGEREF _Toc371339383 h 21 HYPERLINK l _Toc371339384 4.1 軟件總體流程 PAGEREF _Toc371339384 h 21 HYPERLINK l _Toc371339385 4.2 AD9850控制字 PAGEREF _Toc371339385 h 22 HYPERLINK l _Toc371339386 4.3 系統(tǒng)初始化 PAGEREF _Toc371339386 h 23 HYPERLINK l _Toc371339387 4.4 鍵盤掃描及按鍵識別子程序 PAGEREF _Toc371339387 h 25 HYPERLINK

18、l _Toc371339388 4.5顯示模塊程序 PAGEREF _Toc371339388 h 29 HYPERLINK l _Toc371339389 第五章總結(jié) PAGEREF _Toc371339389 h 30 HYPERLINK l _Toc371339390 第六章 測試結(jié)論 PAGEREF _Toc371339390 h 31 HYPERLINK l _Toc371339391 6.1示波器測試的波形 PAGEREF _Toc371339391 h 31 HYPERLINK l _Toc371339392 第七章 結(jié)束語 PAGEREF _Toc371339392 h 33

19、HYPERLINK l _Toc371339393 第八章 參考文獻 PAGEREF _Toc371339393 h 34 HYPERLINK l _Toc371339394 第九章 附錄 PAGEREF _Toc371339394 h 35常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書第一章 基于單片機信號發(fā)生器設計概述1.1信號發(fā)生器現(xiàn)狀隨著電子測量及電路實驗,儀器設備對信號發(fā)生器的廣泛需求,促使信號發(fā)生器發(fā)展迅速,種類增多而且性能不斷提高。同時，也隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，促使信號發(fā)生器向著自

20、動化、智能化方向發(fā)展。如今，許多信號發(fā)生器都帶有微處理器，而且都具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能，可以和控制計算機及其他的實驗儀器一起構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。就目前來說信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢是向著低功耗、寬頻率覆蓋、高頻率精度、自動化、多功能和智能化的方向發(fā)展。信號發(fā)生器作為一種常用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控、通訊等多個領域都得到了廣泛的應用。在科學教育和工業(yè)生產(chǎn)當中，如教學實驗、機械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學等領域，都要用到低頻信號發(fā)生器；且在我們的日常生活和一些科學研究中，會經(jīng)常使用到齒波、矩形波和三角波等信號。比如說，在類似于電視、示波器等儀器中，我們要讓

21、電子遵循一定規(guī)律去運動和屏幕可以顯示圖像，我們就會用到鋸齒波發(fā)生器來做為基本電路。盡管信號發(fā)生器已廣泛應用到我們生活的方方面面，但是市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足我們生活、實驗和工業(yè)生產(chǎn)等多方面實際應用的需求。開發(fā)低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號發(fā)生器就顯得更加重要和更具意義。1.2信號發(fā)生器概述1.2.1信號發(fā)生器分類信號發(fā)生器應用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。按照頻率范圍分類可以分為：超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、視頻信號發(fā)生器、高頻波形發(fā)生器、甚高頻波形發(fā)生器和超高頻信號發(fā)生器。按照輸出波形分類可以分為：正弦信號發(fā)生

22、器和非正弦信號發(fā)生器，非正弦信號發(fā)生器又包括：脈沖信號發(fā)生器，函數(shù)信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。按照信號發(fā)生器性能指標可以分為一般信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。前者指對輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類信號發(fā)生器。后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。1.2.2信號發(fā)生器的發(fā)展歷史信號發(fā)生器作為一種常用電子儀器設備，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器是完全由硬件電路搭接而成，如用555振蕩電路產(chǎn)生正弦波、三角波、方波鋸齒波的電路便是常用的方法之一。不過這種電

23、路存在一定的缺點如：波形的質(zhì)量差、比較難控制、可以調(diào)節(jié)的范圍小、電路比較復雜和體積較大等。在科學研究、工業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)過程的控制和生物醫(yī)學等領域我們經(jīng)常會用到低頻信號源，但是用硬件電路組成的低頻信號發(fā)生器的性能還遠不能讓人滿意，這是因為低頻信號源所需要的RC很大，而大電阻和大電容在制作問題上又有一定的困難，參數(shù)的精度也不能做到保證進而導致低頻信號發(fā)生器漏電而且體積大，損耗明顯。當工作的需求和功能有所增加，則電路的復雜程度也會相應的增大。70年代以前，信號發(fā)生器主要分為：正弦波信號發(fā)生器和脈沖波信號發(fā)生器，但是函數(shù)發(fā)生器處于兩類之間，它可以提供余弦波、正弦波、三角波、方波、鋸齒波、上弦波等常用的波

24、形，產(chǎn)生其它的波形時，則需要用到較復雜的電路加上機電結(jié)合的方法。70年代以前的波形發(fā)生器大都使用模擬電子技術，但是模擬器件組成的電路存在著一些缺點，比如說：尺寸大、價格貴、功耗大等，并且要產(chǎn)生相對來說比較復雜的信號波形，那么電路結(jié)構(gòu)就會非常復雜。而且主要表現(xiàn)為兩個問題，一個是要通過電位器的調(diào)3節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，這樣就很難將頻率調(diào)到固定的值；第二個則是脈沖的占空比不可以調(diào)節(jié)。70年代之后，由于微處理器的出現(xiàn)，我們就可以利用處理器、A/D/和D/A，硬件和軟件來讓波形發(fā)生器的功能增大，可以產(chǎn)生出更為復雜的波形。這個時期的波形發(fā)生器大都以軟件為主，其實質(zhì)上是采用微處理器對DAC的程序控制，這樣

25、我們就可以得到各種簡單的波形。90年代末期，出現(xiàn)了一些真正的性能高、價格高的函數(shù)發(fā)生器、不過HP公司生產(chǎn)了型號為HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它是由HP8770A任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成的。不過HP8770A也只能產(chǎn)生8種波形，而且價格很貴。不久，Analogic公司則推出了型號為Data-2020的多波形合成器，Lecroy公司也生產(chǎn)了的型號為9100的波形發(fā)生器。二十一世紀，隨著集成電路技術高速發(fā)展，出現(xiàn)了很多工作頻率可以超過GHz的DDS芯片，推動了函數(shù)信號發(fā)生器的發(fā)展，到2003年，Agilent公司生產(chǎn)的33220A可以產(chǎn)生17種波形，最高的頻率可以到20M，

26、2005年生產(chǎn)的N6030A可以產(chǎn)生500MHz的頻率，采樣的頻率可達1.25GHz。1.2.3信號發(fā)生器技術發(fā)展方向近些年來，函數(shù)信號發(fā)生器的技術發(fā)展特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）輸出波形頻率的不斷提高，讓信號發(fā)生器的應用越來越廣泛。信號發(fā)生器的軟件開發(fā)以及應用讓波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加容易了起來。因為信號發(fā)生器軟件的開發(fā),我們便可以用一系列的點或者是直線或者是固定的函數(shù)段把波形的數(shù)據(jù)存入到存儲器中。而且可以使用一種非常有效的數(shù)學方程的輸入方式，那么即使是復雜的波形也可以由簡單的數(shù)學公式組合而成,就是:v=f(t)的形式。因此促進了函數(shù)信號發(fā)生器向可以產(chǎn)生任意波形的方向發(fā)展，而且計算機語言

27、的快速發(fā)展對信號發(fā)生器的軟件技術也起到了一定的促進?，F(xiàn)在我們可以使用可視化的編程語言如Visual Basic,Visual C等語言來編寫信號發(fā)生器的程序語言，這樣便允許從計算機的顯示屏上來輸入任意的波形，從而實現(xiàn)波形的輸入。（2）和VXI資源的結(jié)合?，F(xiàn)在函數(shù)信號發(fā)生器由臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新開發(fā)的VXI模塊。因為VXI總線的逐步成熟，而且對測量儀器要求的增高，很多方面都使用VXI系統(tǒng)來測量產(chǎn)生復雜的波形，VXI里面的系統(tǒng)資源辦證了它的優(yōu)勢，不過因為開發(fā)VXI模塊的周期較長，還需要有VXI機箱的配套，讓VXI模塊局限于航空、軍事和國防等重大領域；民用的方面，VXI模塊還不如臺

28、式的儀器方便。（3）伴隨著信息技術的快速發(fā)展，臺式的儀器在經(jīng)歷了一段衰落之后，又重新振作起來?，F(xiàn)在新的臺式儀器和之前的已經(jīng)有了很多地方的區(qū)別。新一代的臺式儀器有更多的特性，而且可以執(zhí)行更多的功能。外形大小和價格都要相對于過去類似的產(chǎn)品有很大的減少。1.3單片機概述隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、(I/O)接口、定時器/計數(shù)器和串行通信接口，以及其他一些計算機外圍電路等均可集成在一塊芯片上構(gòu)成單片微型計算機，簡稱為單片機。單片機具有體積小、成本低，性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點。其最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到各種儀器、設備中，這是其他

29、計算機和網(wǎng)絡都無法做到的。由于單片機的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應用領域中，它承擔了大中型計算機和通用微型計算機所無法完成的一些工作；使其具有很多顯著的優(yōu)點和特點，在各個領域中都得到了迅猛的發(fā)展。單片機的特點歸納起來有以下幾個方面：1）具有優(yōu)異的性能價格比單片機盡可能地把應用所需的存儲器,各種功能的I/O接口集成在一塊芯片內(nèi),因而其性能很高,而價格卻相對較低廉,即性能價格比很高。2）控制功能強單片機體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令以及位操作指令。其邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微

30、機。3）集成度高、體積小、可靠性高單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路。又內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了芯片之間的連線，這大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。同時，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。4）低電壓、低功耗單片機大量用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費類產(chǎn)品，低電壓和低功耗尤為重要。目前，許多單片機已可在2.2V電壓下運行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至A級,一粒鈕扣電池就可長期使用。利用單片機采用程序設計方法來產(chǎn)生低頻信號，其下限頻率很低。具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強，用途

31、廣泛等優(yōu)點，并且能夠?qū)Σㄐ芜M行細微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級。第二章系統(tǒng)分析和總體設計2.1對信號發(fā)生器設計的要求它的主要技術指標及功能要求如下：(1)能產(chǎn)生正弦波、三角波和方波信號，并通過按鍵切換信號類型；(2)通過按鍵可以以一定的步進改變頻率；(3)正弦波所能達到最高頻率為2MHz;(4)輸出幅度為05V。2.2設計方案的選擇函數(shù)信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法一般有下面幾種：方案一：利用分離元件組成的函數(shù)信號發(fā)生器，但基本上都是單函數(shù)發(fā)生器而且它有一些缺點比如：頻率不高，工作也不很穩(wěn)定，不方便調(diào)試。方案二：采用函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038集成的

32、模擬芯片，它是可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。不過這種模塊所產(chǎn)生的波形不是純凈的波形，都會有高次諧波分量，我們可以采取措施過濾部分，但不可能全部濾除干凈,而且這還有個缺點就是價格較高。方案三：采用AT89C51單片機和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器的相結(jié)合電路來產(chǎn)生波形，這種方法是采用的軟件濾波，因此就不會產(chǎn)生寄生的高次諧波分量，所生成的波形相對來說也比較純凈。而且它還有一些優(yōu)點比如：成本低、性能較高，但是該方案無法達到論文設計的頻率要求。方案四：采用AT89C51和專用直接數(shù)字合成芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生任意波形并達到很高的頻率，而且該方案電路較簡單，性價比高。鑒于方案一的信號頻率

33、不夠穩(wěn)定，方案二的電路復雜，價格高昂，頻率覆蓋系數(shù)難以達標等缺點和方案三無法達到論文設計的頻率要求，所以決定采用方案四的設計方法。它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法來實現(xiàn)，使得信號頻率的穩(wěn)定性和精度的準確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價格便宜，使得硬件的開銷達到最省。2.3系統(tǒng)組成及工作原理2.3.1 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)框圖如圖2.1所示，DDS波形發(fā)生器主要由五大模塊(單片機控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數(shù)字合成模塊、濾波模塊及運放模塊)組成。各模塊的功能：波形產(chǎn)生由單片機控制模塊和數(shù)字合成模塊實現(xiàn)，濾波模塊及運放模塊用來對波形進行處理。鍵 盤單片機數(shù)字合成顯

34、示低通濾波集成運放 波形輸出 圖2.1系統(tǒng)組成框圖2.3.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理：用戶用按鍵輸入命令，數(shù)據(jù)顯示在LCD上，并將命令傳輸?shù)絾纹瑱C，再由單片機控制DDS芯片輸出波形，并通過后級波形調(diào)理電路，輸出所需的波形。（1）單片機模塊本設計中單片機是系統(tǒng)的控制中心，用來向DDS輸入控制字，用戶按鍵輸入命令的判斷，以及LCD內(nèi)容的顯示?？紤]到本設計的單片機的功能，本系統(tǒng)采用最為常用的51單片機即AT89C51來作為控制模塊（2）鍵盤和顯示模塊本設計鍵盤模塊選擇4*4鍵盤用來選擇波形相位、頻率值；顯示模塊采用LCD1602，主要是用來顯示波形的頻率等。（3）數(shù)字合成和濾波模塊DSS芯片是本設計

35、的核心模塊，主要是由相位累加器、正弦波形表、D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器組成，其基本組成如圖2-1。其基本原理是：在系統(tǒng)時鐘的控制下，將頻率控制字K送到相位累加器；刷新相位累加器中的數(shù)據(jù)，然后把相位累加器中的數(shù)據(jù)N作為地址對正弦ROM表進行查詢；通過改變相位增量就可以改變DDS的輸出頻率值；由波形ROM存儲器取出的波形量化數(shù)據(jù)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓/電流，再經(jīng)過低通濾波器將波形中的高次諧波濾除，最終得到DDS的輸出波形。圖2-2 DDS的基本組成模塊時鐘源由一個穩(wěn)定度比較高的晶體振蕩器組成，為整個電路提供高精度頻率信號，是DDS正常工作的核心器件。相位累加器相位累加器是由加法器和反饋寄存

36、器兩部分組成的,其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示,每一個參考時鐘信號脈沖,都會使作為相位增量的頻率控制字M進入到相位累加器,并與之存儲的相位值相加,得到歸一化的相位值,再輸入正弦查表進行查詢。雖然的幅度增量是非線性的,但是它的相位增量卻是線性的,因此DDS利用相位增量的線性變化，在時鐘脈沖下，讓相位實現(xiàn)一個個步長的增加，來決定輸出信號的頻率與精度。假設相位累加器的位數(shù)為N,那么加法器位數(shù)也為N,反饋寄存器位數(shù)也為N,并且起模運算的作用。將一個周期平均分成等份,由于頻率控制字的循環(huán)累加,每次轉(zhuǎn)動一個角度,則可以產(chǎn)生一個頻率為的正弦波相位遞增量。那么只要選擇恰當?shù)念l率控制字M滿足: （2-1）就可以得到所需要

37、的輸出頻率。每是一個周期,周期過后寄存器中的數(shù)值歸零,如此循環(huán)、周而復始的相加。正弦查表相位累加器輸出的是相位序列碼，經(jīng)過一個相位序列碼到幅度序列碼的變換裝置，再經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換就可以生成階梯波形。相位序列碼到幅度序列碼的變換裝置就是利用只讀存儲器RAM來完成的。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）DAC的作用是將幅度序列碼轉(zhuǎn)換為階梯波。DAC的分辨率會對輸出波形的精度產(chǎn)生較大影響；DAC的分辨率越高,組成正弦波的階梯數(shù)就越多、越密集,形狀就越接近與正弦波形,輸出波形的精度也就越高。（4）濾波和運放模塊濾波模塊主要是利用濾波器的選頻特性濾除高頻分量，即可得到最低頻率（基頻）的正弦信號。運放模塊是對正弦波形進一

38、步處理，來得到理想幅值的波形。圖2-3 DDS波形輸出第三章 系統(tǒng)硬件設計波形的產(chǎn)生與控制部分由51單片機與DDS芯片(AD9850)組成，其中前者作為正弦波，余弦波，方波的合成芯片，后者實現(xiàn)三角波的合成。用戶通過鍵盤輸入的波形參數(shù)被AT89S51接收，并經(jīng)其處理后將計算出的控制字傳送給AD9850，由其輸出可控波形。3.2主控芯片的選擇3.2.1AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲（FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以

39、反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。3.2.2AT89C51管腳說明其管腳如圖3-1所示：圖3-189C51管腳圖1.VCC：供電電壓；2.GND：接地；3.P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH

40、編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。4.P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為低八位地址接收。5.P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當

41、用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。6.P3口：P3口管腳是8個內(nèi)部帶上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示： 引 腳第 二 功 能信 號 名 稱P3.0RXD串行數(shù)據(jù)接收P

42、3.1TXD串行數(shù)據(jù)發(fā)送P3.2INT0外部中斷0請求P3.4INT1外部中斷1請求P3.4T0定時器/計數(shù)器0輸入P3.5T1定時器/計數(shù)器1輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通7.RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳保持兩個機器周期的高電平時間。8.ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低八位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個A

43、LE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR的8EH地址上置0。P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。9. /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 10./EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲

44、器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 11.XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 12.XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.2.3AT89C51最小系統(tǒng)設計圖3-2 AT89C51最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是實現(xiàn)單片機工作的基本條件，包括啟動單片機工作的電源、時鐘和復位電路，在此基礎上可以通過單片機的I/O口與其不同外圍設備相連，實現(xiàn)不同的功能。時鐘電路時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。MCS-51單片機允許的時鐘頻率是因型號而異，典型值為12MHz。MCS-51內(nèi)部都有一個反相放大器，XTAL1、XTAL2分別為反相放大器輸

45、入和輸出端，外接定時反饋元件以后就組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部的各個部件。AT89C51是屬于CMOS8位微處理器，它的時鐘電路在結(jié)構(gòu)上有別于NMOS型的單片機。CMOS型單片機內(nèi)部（如AT89C51）有一個可控的負反饋反相放大器，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器。晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時鐘頻率主要由SYS參數(shù)確定（晶振上標明的頻率）；電容C1和C2的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率f起微調(diào)作用（C1、C2大，f變?。１驹O計選電容為典型值30pF，系統(tǒng)時鐘頻率為12MHz，晶振電路如圖3-2所示。復位電路計算機在啟動運行時都需要復位，使中央處理器CP

46、U和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。另外,在單片機工作工程中，如果出現(xiàn)死機時，也必須對單片機進行復位，使其重新開始工作。 51單片機的復位是由RESET引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內(nèi)部復位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到RESET引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查EA引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會執(zhí)行外部程序。其中單片機復位方式包括上電自動復位和按鍵復位兩種，本設計中采用按鍵復位的方式來對AT89C51進行復位，復位電路如圖3-2。3.3.1 AD9850芯片簡介隨著數(shù)字技術的飛速發(fā)

47、展，用數(shù)字控制方法從一個參考頻率源產(chǎn)生多種頻率的技術，即直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術異軍突起。美國AD公司推出的高集成度頻率合成器AD9850便是采用DDS技術的典型產(chǎn)品之一。AD9850采用CMOS工藝，其功耗在3.3V左右。供電時僅為155mW，擴展工業(yè)級溫度范圍為-4080，采用28腳SSOP表面封裝形式。AD9850的引腳排列如圖3-3所示：圖3-3 AD9850管腳圖AD9850引腳功能說明如下：CLKIN：參考時鐘的輸入。此時鐘輸入可以是連續(xù)的CMOS序列，也可以是經(jīng)1/2電源電壓偏置的模擬正弦波輸入。RSET：DAC外部電阻RSET連接處。此電阻設置了DAC輸出電流的幅值，在一

48、般情況下Iout=3mA。AGND：模擬電路地。DGND：數(shù)字電路地。DVDD：數(shù)字電路電源。AVDD：模擬電路電源。W_CLK：控制字輸入時鐘。此時鐘用來控制并行或串行輸入頻率/相位控制字。FQ_UD：頻率更新時鐘。在此時鐘的上升沿，DDS將刷新已輸入到數(shù)據(jù)輸入寄存器中的頻率(或相位)字，使輸入數(shù)據(jù)寄存器歸零。D0-D7：8bit數(shù)據(jù)輸入端。這是一個用于重復輸人32bit頻率和8bit相位/控制字的8bit數(shù)據(jù)輸入端口，D7是最高位，D0是最低位，它還是40bit串行數(shù)據(jù)輸入端口。RESET：重新設置。這是整片的重新設置功能，即當此腳置為高電平時，它清除(除輸入寄存器)所有寄存器中的數(shù)據(jù)5。

49、復位（RESET ）信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5 個參考時鐘周期。AD9850 的參考時鐘頻率一般遠高于單片機的時鐘頻率，因此AD9850 的復位（RESET ）端可與單片機的復位端直接相連。IOUT：DAC的模擬電源輸出。IOUTB：DAC的互補模擬輸出。DACBL：DAC基準線，是DAC基準電壓參考。VINP：不轉(zhuǎn)換電平輸入，是比較器的同相輸入。VINN：轉(zhuǎn)換電平輸入，是比較器的反相輸入。QOUT：輸出為真，是比較器的真正輸出。QOUTB：輸出為補充，是比較器的補充輸出。3.3.2 AD9850組成原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD9850的組成如圖3-4中層虛線內(nèi)是一個完整的可編程DDS系統(tǒng)，外

50、層虛線內(nèi)包含了AD9850主要組成部分。圖3-5為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。圖3-3 AD9850組成原理圖3-5 AD9850的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊藾DS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個位相位寄存器組成，一般為2432。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應正弦波中0360范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動DAC以輸出模式量。相位寄存器每過個外部參考時鐘后

51、返回到初始狀態(tài)一次，相位地正弦查詢表每消費品一個循環(huán)也回到初始位置，從而使整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波周期，頻率，、分別為外部參考時鐘的周期和頻率。AD9850 采用32 位的相位累加器將信號截斷成14 位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截斷成10 位后輸入到DAC，DAC 再輸出兩個互補的電流。DAC 滿量程輸出電流通過一個外接電阻調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)關系為=32(1.148V/RSET)，的典型值是3.9。將DAC 的輸出經(jīng)低通濾波后接到AD9850 內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出一個抖動很小的方波。AD9850 在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后就可產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程

52、控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125MHz 的時鐘下，32 位的頻率控制字可使AD9850 的輸出頻率分辨率達0.0291Hz ；并具有5 位相位控制位，而且允許相位按增量，或這些值的組合進行調(diào)整。3.3.3 AD9850 的控制字與控制時序AD9850 有40 位控制字，32 位用于頻率控制，5 位用于相位控制。1 位用于電源休眠（Power down ）控制，2 位用于選擇工作方式。這40 位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850，在并行裝入方式中，通過8 位總線D0D7 將可數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在重復5 次之后再在FQ_U

53、D 上升沿把40 位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器（更新DDS 輸出頻率和相位），同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器。接著在W_CLK 的上升沿裝入8 位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續(xù)5 個W_CLK 上升沿后，W_CLK 的邊沿就不再起作用，直到復位信號或FQ_UD 上升沿把地址指針復位到第一個寄存器。在串行輸入方式，W_CLK 上升沿把25 引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，當移動40 位后，用一個FQ_UD 脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖3-5是相應的控制字并行輸入的控制時序圖。圖3-6控制字并行輸入時序3.4系統(tǒng)硬件電路基本組成硬件電路的組成主要由以下幾部分組成:(1)單

54、片機控制模塊；(2)鍵盤模塊；(3)顯示模塊；(4)AD9850外圍電路；(5)濾波電路；(6)幅值調(diào)節(jié)電路（運放模塊）；3.4.1單片機控制模塊本系統(tǒng)以AT89C51作為控制核心，P0口8個引腳通過排線與4*4矩陣鍵盤相連，根據(jù)按鍵的情況完成頻率和相位的設定功能。P1.0P1.7端口用8芯排線連接到1602上的7到14腳上,P30連4腳（RS）,P31連5腳（RW）,P30連6腳（E），并通過程序?qū)㈩l率值顯示到LCD1602上。P2口與AD9850的相關控制字寫入端口相連，進行串行控制，對DDS芯片寫入控制字，從而實現(xiàn)相應的波形輸出。圖3-7系統(tǒng)控制電路3.4.2鍵盤電路AT89C51單片機

55、的P1口用作鍵盤輸入口，鍵盤的行線接到P1口的低4位，鍵盤的列線接到P1口的高4位，4根行線和4根列線形成16個相交點。鍵位識別的方法是對鍵盤的行線進行掃描。檢測當前是否有鍵被按下的方法是Pl.4-Pl.7輸出全“0”，讀取Pl.0-Pl.3的狀態(tài)，若Pl.0-Pl.3為全“1”，則無鍵閉合，否則有鍵閉合。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計算法或查表法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值。為了保證鍵在每閉合一次CPU僅作一次處理，必須去除鍵釋放時的抖動。去除鍵抖動的方法是增加適當延時，即當檢測到有鍵按下后，延時一段時間再做下一步的檢測判斷。按鍵A、B、C被定義為功能鍵，用于選擇輸出波形

56、方式(正弦波、三角波、方波)，其中，A鍵表示正弦波，B鍵表示方波，C鍵表示三角波按鍵被定義為數(shù)字鍵和控制鍵，數(shù)字鍵(09)用于輸入頻率值；控制鍵包括*鍵、#鍵，*鍵作為修改設置頻率的標志，#鍵作為設置頻率結(jié)束的標志44的矩陣鍵盤電路和各按鍵功能分別如圖3-8和表格3-1所示。圖3-8 44矩陣鍵盤電路按鍵號功能定義按鍵號功能定義S10S98S21S109S32S11AS43S12BS54S13CS65S14確認鍵S76S15*S87S16#表格3-1按鍵功能定義3.4.3顯示電路在單片機系統(tǒng)中，要實現(xiàn)良好的人機界面，除了需要鍵盤等輸入設備以外，一般還配有顯示輸出設備。常用的顯示器有：發(fā)光二極管

57、顯示器，簡稱LED；液晶顯示器，簡稱LCD。LED、LCD顯示器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、配置靈活、與單片機接口方便等特點。LCD1602液晶顯示模塊指令功能強：可組合成各種輸入、顯示、移位方式以滿足不同的要求；接口簡單方便；可與8位微處理器或微控制器直接相連，而不需驅(qū)動，大大簡化了硬件電路及軟件程序。（1）液晶顯示原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。（2）液晶顯示器的分類液晶顯

58、示的分類方法有很多種，通常可按其顯示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（Active Matrix）三種。（3）液晶顯示器各種圖形的顯示原理:線段的顯示點陣圖形式液晶由MN個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節(jié)的8位，即每行由16字節(jié)，共168=128個點組成，屏上6416個顯示單元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應，每一字節(jié)的內(nèi)容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H0

59、0FH的16字節(jié)的內(nèi)容決定，當（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一條短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。字符的顯示用LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由68或88點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符

60、發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。漢字的顯示漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應的地址，設立光標，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標位置加1，送第二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。本設計顯示模塊是用來顯示鍵盤鍵入的頻率