基于單片機的任意波形發(fā)生器的設(shè)計.doc

本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 39 頁 共 39 頁1 緒論在當今這個時代人們的生活水平不斷提高，而產(chǎn)生方波、正弦波、三角波等波形的發(fā)生器存在一定的缺陷，現(xiàn)在我們應(yīng)該需要一種能產(chǎn)生任意波形的發(fā)生器，它不單能產(chǎn)生傳統(tǒng)的波形，還能輸出它的頻率、周期等功能，并且它的分辨率要求也是比較高的，還能清晰的看出波形圖的幅值跟頻率。因此，本設(shè)計中的信號發(fā)生模塊選擇AD9833,主控制器選擇STC89C52單片機來實現(xiàn)，這些芯片就能完成了任意信號發(fā)生器的設(shè)計了。1.1 課題背景及意義在最近幾年出現(xiàn)了一個能產(chǎn)生任意波形信號源的發(fā)生器，這就是任意波形發(fā)生器。任意波形發(fā)生器比之前的波形發(fā)生器還利用了數(shù)模轉(zhuǎn)化和微處理器等功能。任意波形發(fā)生器能夠根據(jù)人們的要求顯示出不同的波形，其中波形的周期也是可以變化的。它也可以產(chǎn)生一般發(fā)生器顯示的波形，比如方波，三角波，正弦波等穩(wěn)定周期的波形。伴隨著人類的進步，在工業(yè)上、電子上的發(fā)展不斷加快，使人們對信號需要更深透的理解。通信的發(fā)展都需要不同的信號來測試，在研究生物學(xué)領(lǐng)域的時候，也要接觸腦波信號跟神經(jīng)信號等電信號。所以，任意信號發(fā)生器部分的信號源是由自動化部分的系統(tǒng)跟較少的測試方案一起組成的。這種發(fā)生器的發(fā)展越來越快，在電學(xué)跟非電學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展也很快。目前，大多數(shù)儀器設(shè)備開始朝著低功耗、便攜式、智能化和多功能方向發(fā)展。大多數(shù)新型的函數(shù)信號發(fā)生器都不再采用分立元件的方法，主要是因為采用分立元件制作的信號發(fā)生器的功耗較大，并且最終實現(xiàn)設(shè)計的體積也非常的大，此外這些信號發(fā)生器輸出頻率穩(wěn)定度和精度都較差。DDS技術(shù)的出現(xiàn)為智能化、高精度和高穩(wěn)定度的信號發(fā)生器的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。DDS技術(shù)是一種全數(shù)字頻率合成技術(shù)。它是利用一段數(shù)據(jù)鏈來通過數(shù)模轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生之前所確定的一個模擬信號，原因是它沒有鎖相環(huán)跟震蕩元件的環(huán)節(jié)。為了能使顯示出來的信號頻率與它的轉(zhuǎn)換速度為準確的，這就得需要將它的方法跟理論結(jié)合起來，才能確保它的功能正常工作。由上面的介紹讓我們知道DDS技術(shù)具有許多優(yōu)點：頻率度較為穩(wěn)定、產(chǎn)生出來的噪聲相對低、提供的分辨率較高、轉(zhuǎn)速也是比較快的。由于DDS技術(shù)所存在的諸多優(yōu)點，使得各種專用和通信的DDS芯片制作出來，應(yīng)用到實際的函數(shù)信號發(fā)生器之中，并在當前函數(shù)信號發(fā)生器領(lǐng)域占據(jù)著重要地位。任意波形發(fā)生器可以任意的在計數(shù)機上輸出波形的情況，這都是由于它一些特別的功能而產(chǎn)生的。為了能完成本設(shè)計，我們將采用專門產(chǎn)生波形的工具產(chǎn)生波形，這樣會使波形更加的穩(wěn)定。每次用編輯器產(chǎn)生的波形都有一定的區(qū)別，那這樣對有些任意波形發(fā)生器的產(chǎn)生的波形會耗費相當長的人力跟時間。為了使波形在計算機上能夠穩(wěn)定的輸出，并且能認真的分析思考，因此采用了隨機存取的辦法來實現(xiàn)任意波形，這樣能更準確的計算跟思考波形的一些特征，而且能更有效的與一般的波形發(fā)生器進行對比。1.2 課題設(shè)計要求本課題首先研究的是任意波形發(fā)生器的基本原理與設(shè)計原理，熟練掌握單片機技術(shù)的應(yīng)用。研究各種類型信號發(fā)生的原理及算法，研究DDS信號產(chǎn)生的特點及功能。并寫出任意波形發(fā)生器的總體方案設(shè)計與論證。對DDS芯片及信號發(fā)生器系統(tǒng)組成的各部器件及芯片選擇要很嚴格。輸入模塊、控制模塊、頻率合成模塊及輸出模塊的設(shè)計，可選擇單片機系統(tǒng)與DDS系統(tǒng)組合設(shè)計，借助相應(yīng)的EDA設(shè)計軟件進行完成。作總體系統(tǒng)電路設(shè)計及電路調(diào)試，提高波形發(fā)生器的精度和穩(wěn)定性并使其具有實用價值。2 DDS技術(shù)的介紹2.1 任意波形發(fā)生器的設(shè)計原理本設(shè)計采用數(shù)字控制信號的相位增量的新型DDS技術(shù)，它具有好多優(yōu)點，例如有較高的分辨率、良好的穩(wěn)定性、可方便的產(chǎn)生較多的波形等。改變它之后輸出的頻率而采用的DDS技術(shù)提供每個周期的度數(shù)來完成的任意波形發(fā)生器。通過查表的方法來找出對應(yīng)的相位點。用較多的點來替換產(chǎn)生的波形，這也就是一種插值描點的方法，然后按順序的顯示出來，再通過找多對應(yīng)的相位點用數(shù)模轉(zhuǎn)化器把波形顯示出來。想要顯示你要的那個波形就必須通過低通濾波濾掉剛剛用數(shù)模轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化出的那個波形，這個過程也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換的一個逆過程，其方法也比較簡單。我們可以改變數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的參考電壓跟兩個插值點之間的相位而去改變波形的幅值跟頻率了。本設(shè)計是基于單片機并運用了DDS芯片而一起完成的一個設(shè)計方法。想要獲得你想要的任意的波形或者幅值，頻率等，這就要用到單片機與之間的配合了。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考電壓是DDS芯片產(chǎn)生合適的電壓為基準，然后再由查表的方法，找出對應(yīng)的相位點送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)值。通過查表的方法依次找出其一個周期后，再重頭再來，然后輸出下一個周期的波形。再由低通濾波處理經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換的信號，把一些干擾的波跟錯誤的插值頻率處理掉，就能產(chǎn)生你所需要的任意波形了。根據(jù)本設(shè)計的任務(wù)要求跟指導(dǎo)老師的要求，我就選擇了下面的一些器件跟電腦軟件來完成本設(shè)計。在硬件系統(tǒng)上我采用了主控制芯片是STC89C52的單片機跟AD9833的模塊，以及DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，在軟件上我就選擇了Protel99sE來設(shè)計本任務(wù)的電路的原理圖跟PCB圖。接下來我就根據(jù)要求畫出電路圖跟PCB圖，然后向?qū)W校申請一個實驗室，之后進行手工焊制電路板。2.2 DDS技術(shù)內(nèi)部的簡介2.2.1 頻率合成技術(shù)頻率合成就是在以小段頻率之中，它能產(chǎn)生多個頻率輸出點的工作，并且有一個相對準確的參考頻率。根據(jù)頻率合成的原理發(fā)明了頻綜，頻率合成技術(shù)在現(xiàn)在這個時代發(fā)展是非常快的，它也代表了現(xiàn)代技術(shù)與以前技術(shù)的一個很大的飛躍，它已經(jīng)成為電子信息技術(shù)之中的一個重要組成部分。許多電子產(chǎn)品都需要研究其內(nèi)在的頻率性能，在二十一世紀中它的發(fā)展也是尤為的重要。2.2.2 頻率合成技術(shù)的發(fā)展及分類在二十世紀三十年代的時候頻率合成技術(shù)開始被發(fā)掘出來，之前的頻率合成技術(shù)是由許多晶體來產(chǎn)生的，它的振蕩器產(chǎn)生許多的頻率點，然后輸出出來。頻率在實際中是與電路沒有任何關(guān)系的，它一般是由人來完成切換的，而晶體是來決定它是否穩(wěn)定跟準確的。之后為了降低花費的成本就產(chǎn)生了一個非相干合成法，這個方法還是相對的穩(wěn)定的，它是利用少量的晶體卻產(chǎn)生較多的頻率，從而使它的發(fā)展很快。但發(fā)展到一個新的階段，就會淘汰一些跟不上的技術(shù)，于是新的方法就脫穎而出了，它也延續(xù)了非相干合成法的一些優(yōu)點，比如它的穩(wěn)定性，花費的成本較少等，這就是專家們剛提出的相干合成法，并且它只要一個頻率源，而且節(jié)約的成本會更少。直接頻率合成就是第一種被人們稱的相干合成法。直接頻率的種類有分頻、倍頻、混頻等?？梢酝ㄟ^把參考的頻率進行數(shù)學(xué)化的處理而得出你所需要的頻率，這種方法就叫做直接頻率合成的方法。不光只需要一個基準源，如果有很多的基準源也可以通過數(shù)學(xué)化的方法直接合成你所要的頻率。雖然這個方法有許多的優(yōu)點，可以完成我們所需的要求，但它也產(chǎn)生一些不必要的麻煩，它的缺點也是非常的多的，考慮到其的弊大于利，這種方法我們基本不會進行運用的。既然有直接頻率合成，那么從實物的客觀性上知道，一定會出現(xiàn)一個間接頻率合成的方法，間接頻率合成其中也有好多的小分類，比如最重要的就是它的模擬間接頻率合成。人類將鎖相技術(shù)結(jié)合著相位反饋理論一同運用到了模擬間接頻率合成技術(shù)中，并且取得了成功，開創(chuàng)了新一代的頻率合成技術(shù)，它的重要部分是鎖相環(huán)頻率合成。數(shù)?；旌系逆i相環(huán)就代表著目前運用最多的合成方法，它的各部分是數(shù)字鑒相器、模擬環(huán)路濾波和壓控振蕩器以及分頻器，由于組成方式多，也就造就了它具有的優(yōu)點能高頻率的輸出，能抵制內(nèi)部的排斥，產(chǎn)生較低的噪聲等，因此在頻率合成技術(shù)復(fù)雜的今天，它能繼續(xù)占主導(dǎo)優(yōu)勢?，F(xiàn)在的市場上性價比較高的頻率合成器還是很多的，比如一些好公司，Motorola公司和Qualcomn公司等，產(chǎn)品有MC145191、Qualcomn、Q3236、LMX2325、LMX2326、LMX2330等。這些公司的生產(chǎn)，讓我們有了更多的選擇。七十年代的時，我們已經(jīng)步入了頻率合成的第三個時代，那是因為直接數(shù)字合成DDS技術(shù)的誕生，它的誕生是來源于超大規(guī)模集成電路結(jié)合數(shù)字信號處理理論而形成的偉大的技術(shù)。也就在七十年代，DDS的概念被J.Tiemey和CM.Tader等人開始提出假象來:首先是利用數(shù)字方式累加相位來完成的相加和作為一個地址，然后再用剛剛那個地址通過正弦函數(shù)表的查詢而得到正弦波幅度的離散數(shù)字的序列，之后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器跟顯示器輸出來正弦波。DDS具有眾多優(yōu)點，突出的優(yōu)點有變頻的速度快，頻率連續(xù)性強等，也就因為這些優(yōu)點使它在這短短幾十年的時間里發(fā)展如此的迅速，我們現(xiàn)在還在運用它來作為一些電子產(chǎn)品的芯片。2.2.3 頻率合成技術(shù)的技術(shù)指標頻率合成技術(shù)其中包含了許多的指標，其中有的很重要，有的不重要，但由于其中的復(fù)雜性，因此它的這些指標功能方面中就突顯出一些優(yōu)點或者，接下來就向大家介紹下頻率合成技術(shù)的一些指標以及指標的功能等。頻率范圍:頻率的波動范圍是由頻率合成而產(chǎn)生的，最小的合成頻率與最大的合成頻率來決定它的大小，合成之后的頻率應(yīng)該就在最大跟最小合成頻率之間。也常用相對帶寬來衡量頻率范圍。 式(2.1）分辨率：完成頻率合成后產(chǎn)生兩個相位點，其兩點間的距離就是分辨率，分辨率與頻率的合成還有很大的關(guān)系。切換時間：從頻率切換最先到結(jié)束之間能通過容許錯誤范疇的時間。它與頻率合成的關(guān)系也非常的密切。諧波抑制與雜散抑制：諧波抑制是指載波整數(shù)倍頻率處單根譜線的功率與載波功率之比，而雜散抑制指與載波頻率成非諧波關(guān)系的離散譜功率與載波功率之比，它們表征了頻率輸出譜的純度。頻率源中的諧波和雜散主要由頻率源中的非線性元件產(chǎn)生，也有頻率源內(nèi)外干擾的影響，還與頻率合成的方式有關(guān)。長期頻率穩(wěn)定度：在一個規(guī)定的時間下頻率源在規(guī)定的外界條件下，在一定的時間(年、月、日)內(nèi)工作頻率的相對變化，它與所選用的參考源的長期頻率穩(wěn)定度相同。短期頻率穩(wěn)定度：主要指各種隨機噪聲造成的瞬時頻率或相位起伏，即相位噪聲。2.3 DDS技術(shù)理論用數(shù)字來控制信號的相位量的增加，使其轉(zhuǎn)速變快，分辨率變高，穩(wěn)定性好等特點而形成了DDS直接數(shù)字合成技術(shù)，由它的形成結(jié)構(gòu)可知道其的一些特點就是形成后DDS直接數(shù)字合成技術(shù)的優(yōu)點。它的方法就是使用一些點來描述這個波形，比如正弦波，先在規(guī)定時間間隔內(nèi)取出一些點的坐標，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，顯示出大致波形，然后再通過濾波器修改波形，最后通過示波器顯示出波形。其實這個過程就是模數(shù)轉(zhuǎn)換的一個反向過程。大概掌握兩個取值點之間的時間間隔，就可以控制此波形的頻率跟周期了。2.3.1 DDS設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)用DAC轉(zhuǎn)換器把一些數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的技術(shù)叫做DDS技術(shù)。從實際情況來看，DDS就是一個計數(shù)器，只是它的運行頻率比較高。在計數(shù)進位時，我們也會再利用一位來記錄進位的數(shù)字，并且設(shè)計一個清零跟復(fù)位。這個計數(shù)器要用來保存波形的一個周期存儲設(shè)備，并用高階位來尋址。隨著高頻時鐘每轉(zhuǎn)一格單位，之后計數(shù)器也會跟著轉(zhuǎn)動一下，就會有個新的地址字出現(xiàn)在存儲器里，顯示出一個新的波形跟數(shù)據(jù)，DAC就會接受到這個波形的一些數(shù)據(jù)。最后DAC輸出一個大體的波形，再由濾波器修改產(chǎn)生一個比較好的波形輸出來。如圖2.1所示是DDS的一般構(gòu)造。這個非線性函數(shù)可以表示為正弦信號的函數(shù)。開始應(yīng)該選擇一個函數(shù)，然后再將這個函數(shù)進行數(shù)字量化，接著以x、y為地址跟數(shù)據(jù)，最后按循序的輸入到波形存儲器中合成一個正弦波。波形存儲器中的地址是被DDS運用相位累加技術(shù)來控制的，在一個周期中，它最后的結(jié)果都是通過相位累加器把前一個相位的增量相加的。為了改變DDS最終的輸出值就應(yīng)該改變相位的增量，在輸出頻率周期中的穩(wěn)定性就決定最終輸出頻率的穩(wěn)定性。因為本設(shè)計中的波形是通過周期內(nèi)取連續(xù)的點而完成的，所以它顯示的波形是呈現(xiàn)星星點點的，而且不是一個連續(xù)的波形，這是必須通過波形濾波器來過濾掉一些不需要的錯誤波形，最后就能在示波器呈現(xiàn)出相對比較穩(wěn)定的，不失真的正弦波。頻率輸出相位寄存器相位幅度轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換參考頻率頻率鎖定相位控制寄存器 圖2.1 DDS基本結(jié)構(gòu)圖如果累加器開始自動的進行進位時，說明DDS中的相位累加器計數(shù)應(yīng)該大于，并且把2上面的N保存到累加器中。通過上面的框圖跟介紹讓我們知道周期時間和頻率所控制的字對DDS的輸出信號頻率有著密切的關(guān)系。它們的關(guān)系是：DDS最小頻率分辨率是：2.3.2 DDS技術(shù)的特點DDS與傳統(tǒng)的頻率合成方式還是有很大的區(qū)別，雖然直接模擬頻率合成和間接頻率合成都同為DDS技術(shù)，它們之間還是有區(qū)別的，但有很多共同的特點:（1）頻率分辨率極高。（2）頻率捷變很快。（3）具有較寬的輸出相位帶寬。（4）變頻相位連續(xù)。（5）操作簡單、實現(xiàn)容易、便于控制，還能很好的實現(xiàn)功能擴展。顯示出想要的任意波形，可以變化存儲中表格的數(shù)據(jù)。這個設(shè)計可以任意調(diào)節(jié)控制主要由于它的周期跟頻率可以自由的調(diào)節(jié)。如果再發(fā)展下去，我相信DDS芯片的作用會更加的大，可調(diào)節(jié)的東西更加的多，實現(xiàn)的功能也能越來越大。（6）雜波抑制差。DDS全數(shù)字結(jié)構(gòu)帶來了很多優(yōu)點，DAC的位數(shù)與DDS的雜波抑制有著密切的關(guān)系。（7） 能較窄的輸出帶寬。DDS的缺點是對器件速度的限制有反向的關(guān)系，受它的影響較大。2.4 EDA技術(shù)EDA技術(shù)研究在各個方面都有涉及。無論從低頻、高頻還是微波，從線性到非線性，從模擬到數(shù)字，還是從通用集成電路到專用集成電路構(gòu)造的電子系統(tǒng)，因此EDA技術(shù)研究在市場上發(fā)展是如此的大。在電子設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域中，PLD的靈活性應(yīng)用到生活與生產(chǎn)中，對生活與生產(chǎn)都有很大的幫助。PLD是具有雙重重構(gòu)的，無論是軟件編程還是硬件設(shè)計都可以進行完成工作，這也幫助了硬件設(shè)計更加的方便，就像軟件一樣操作方便，便于人們的生活，節(jié)省了一些工作。它改變了人們傳統(tǒng)眼中的觀念，認為軟件會比硬件更容易，也改變傳統(tǒng)的設(shè)計觀念與方案?？v觀可編程器件的發(fā)展史，EDA都為現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。EDA與現(xiàn)代的眾多電子技術(shù)有密切的聯(lián)系，它也是許多科學(xué)研究的一種基礎(chǔ)，可以這么說，如果沒有它好多科研是研究不起來的。它的發(fā)展是從上世紀九十年代開始出現(xiàn)的，如圖2.2所示。EDA CAE CAT CAM CAD 圖2.2 EDA發(fā)展框圖 設(shè)計的人可以利用EDA了解到PLD的一些工作器件，然后通過軟件來修飾硬件設(shè)備，最后得出結(jié)果。因為EDA的優(yōu)點就是硬件可以當作跟軟件一樣，使用很方便?，F(xiàn)在電子技術(shù)發(fā)展勢頭正猛，EDA控制數(shù)字系統(tǒng)的技術(shù)也已經(jīng)相當?shù)氖炀毩?，由于信息化發(fā)展過快，EDA的技術(shù)在市場上正爭相恐后競爭中，這也是把雙刃劍，優(yōu)點是它的技術(shù)會變得越來越嫻熟，對生活與生產(chǎn)都提供很大的幫助，缺點就是發(fā)展快，淘汰率變快，讓人們不滿足現(xiàn)狀，總期待最新的產(chǎn)品，浪費了我們的錢財。由于PLD的發(fā)展速度過快，也帶動了EDA的發(fā)展，之使兩者的關(guān)系更加的貼近。上世紀八十年代PLD器件產(chǎn)生，并且具有可編程的優(yōu)點。PLD器件也為之后科學(xué)家提出新的構(gòu)思奠定基礎(chǔ)，從而科學(xué)家發(fā)明出了專用的IC，此產(chǎn)品的問世加快了市場產(chǎn)品開發(fā)的時間，也降低了成本。3 總體方案論證通電對你所要信號進行測試的儀器就是信號發(fā)生器。按輸出信號波形分成四類：正弦信號發(fā)生器、波形信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、隨機信號發(fā)生器。本系統(tǒng)使用專用的信號產(chǎn)生芯片AD9833來作為信號產(chǎn)生源，只需要使用單片機控制AD9833，本系統(tǒng)就可以產(chǎn)生所需要的信號波形和頻率值。此外通過使用運放LM358，使得本系統(tǒng)的輸出幅度可以進行手動調(diào)節(jié)。3.1 系統(tǒng)方案方案一：利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換由單片機函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的波形，如正弦波、脈沖波等，操作簡單，還能改變它的參考電壓與頻率，輸出的頻率也很穩(wěn)定，能滿足一般的需求。方案二：運用了電子大賽上的方法，先用鎖相環(huán)中的壓控振蕩器鎖定到要輸出的頻率上，然后采用鎖相式頻率合成的方法來調(diào)節(jié)所需方案，但此方法有一些弊端，對所畫的電路要求過于復(fù)雜，對較低頻率信號產(chǎn)生較弱。方案三：利用ADI公司下的AD9833芯片來完成這個電路要求的輸出波形，它產(chǎn)生的波形都具有頻率，周期及占空比等可調(diào)操作。它也能產(chǎn)生一些一般的波形，如三角波、方波、正弦波等。這個芯片產(chǎn)生的波形失真較小，實現(xiàn)波形相對穩(wěn)定，便于實驗室操作，能有效的通過調(diào)節(jié)電流、電壓及電阻來控制它的頻率與輸出頻率的寬度等優(yōu)點。 方案四：為了能控制顯示波形的頻率與幅度就只能采用編程的方法了，而性價比最高的就是STC公司的STC89C52單片機。這個單片機可以忽略硬件上的一些確定，能通過軟件編程的方法實現(xiàn)頻率與波形形狀的選擇需求，最后能通過示波器顯示出一個比較完美的波形。由于方案一設(shè)計方案比較傳統(tǒng)，現(xiàn)在這個社會的技術(shù)要求過高，所以方案一不適合。方案二由于它不能良好的處理低頻率的信號，并且電路的要求也相當?shù)膹?fù)雜，因此也不能采用。剩下的方案三與方案四就可以結(jié)合起來，利用AD9833芯片完成我們想要的波形，再通過STC89C52單片機來實現(xiàn)軟件與硬件上的結(jié)合，能完成一個頻率等操作可調(diào)，硬件上能完美顯示出波形，并于調(diào)節(jié)能同步操作，所以選擇方案三與方案四，也只有這兩個原器件的結(jié)合才能良好做出這個設(shè)計。而且這兩個芯片性價比較高，在花費上還能減少一些開支，適合我們這些學(xué)生。3.2 設(shè)計方案論證在規(guī)定時間內(nèi)，相位累加器以的速率一步一步的累加，當它所加的部分超過了累加器進位的速度，那么輸出的頻率就是DDS。之后用輸出的頻率在已經(jīng)更新好的DAC數(shù)據(jù)中進行查找，對應(yīng)出表中的數(shù)據(jù)。通過對應(yīng)點的數(shù)據(jù)再有數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換那些數(shù)據(jù)，顯示出波形再通過濾波器輸出頻率的波形了。要求輸出任意波形就得通過更新查表中的數(shù)據(jù)，把逐點對應(yīng)的數(shù)據(jù)再通過上面的方法顯示出來，就可以在顯示器上看到任意波形了。由于是通過累加器的溢出來進位的，因此位數(shù)N在累加器中要滿足，這也是重點注意的項目，相位累加器進位后它剩下的位數(shù)還要再次進行累加計算，只有這樣才能使程序不錯誤。DDS原理的框架圖如3.1所示。 輸出相位累加器N波形查找表DACLPF采樣點數(shù)控制字S參考時鐘源fC頻率控制字fcwfO 圖3.1 DDS原理框架4 硬件電路設(shè)計4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖在硬件設(shè)計要求上，要像軟件一樣盡可能的容易操作和它的部分結(jié)構(gòu)要非常簡單，這樣才能便于我們更好的分析硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。如果這個設(shè)計的硬件過于復(fù)雜，也會導(dǎo)致實物過于笨重，還花費了我們更多的精力跟成本，也更不上這個時代的淘汰率。所以盡量的簡便本設(shè)計的硬件設(shè)施，才能讓我們的實物更加的簡單，軟件操作也能更好的與硬件系統(tǒng)結(jié)合起來。最后的設(shè)計才能分成很多個清晰地模塊。如圖4.1是系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。按鍵輸入晶振、復(fù)位輸入 單片機液晶顯示電路 DDS模塊（AD9833)波形放大電路波形輸出圖4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)各個硬件模塊的功能：(1)STC89C52單片機。作為系統(tǒng)的主控制芯片，讀取按鍵，并根據(jù)按下的不同鍵采取相應(yīng)的措施。其次，單片機控制AD98333輸出指定的波形和頻率。最后單片機控制液晶顯示當前輸出的波形和頻率值的大小。(2)AD9833電路。AD9833是我們的DDS模塊，主要接收單片機的配置指令， 并產(chǎn)生特定的波形和頻率的信號。(3)晶振、復(fù)位電路。使單片機能夠正常工作。(4)液晶顯示電路。顯示輸出信號的波形、頻率等。(5)信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路是對DDS模塊產(chǎn)生的信號進行處理，比如進行放大、波形變換等。4.2 核心器件介紹4.2.1 單片機STC89C52介紹STC89C52是可編程的Flash存儲器，并且是在8K中的系統(tǒng)存儲器，它是STC公司生產(chǎn)的性價比比較高的單片機，它也是一種低功耗、高性能的微控制器。STC89C52是對傳統(tǒng)的51單片機一個改進，但它也沿用了特別經(jīng)典的MCS-51的內(nèi)核。由于STC89C52的靈活性與可編程性，所以在好多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中都運用了這種單片機。具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外STC89C52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?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。單片機的引腳圖如圖4.2所示。 圖4.2 STC89C52引腳圖4.2.2 AD9833模塊介紹AD9833是ADI公司生產(chǎn)出來一種新型芯片。它具有低能耗,可編程等優(yōu)點,就是看中它的這個優(yōu)點我們設(shè)計波形發(fā)生器。AD9833芯片在現(xiàn)在生活運用很常見，它不需要其他的原件，只要通過與軟件相連通就能運用到各類設(shè)備跟測試中，而且它的精確度是非常高，還能在微弱頻率出顯示出波形，這也是我們設(shè)計中選擇這個芯片的原因。AD9833的模塊外形圖如圖4.3所示。AD9833的內(nèi)部電路組成結(jié)構(gòu)如圖4.4所示。 圖4.3 AD9833模塊外形圖 AD9833數(shù)控振蕩器頻率、相位調(diào)節(jié)器Sine ROM數(shù)模轉(zhuǎn)換器電壓調(diào)整器 圖4.4 AD9833的內(nèi)部電路組成結(jié)構(gòu)AD9833為了能更好的與現(xiàn)代主流的控制系統(tǒng)相兼容的話，它的最高頻率至少必須要達到40MHz，AD9833還可以通過3個串行接口傳它的數(shù)據(jù)。一般在2V到5V左右的電壓AD9833還是可以接受的。AD9833具有10個MSOP型表面貼片封裝的引腳,由于它們的體積非常的小，所以使AD9833具有一個新的功能，它能讓數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行待機也就是休眠狀態(tài)，這樣能減少能耗，能讓芯片工作時間大大的變長。4.2.3 ICL7660電源轉(zhuǎn)換芯片為了能夠使輸出端可以產(chǎn)生雙極性型號，必須給運放電路提供雙極性電源。為了找一種小功率極性反轉(zhuǎn)電源轉(zhuǎn)換器，所以我們看中了Maxim公司生產(chǎn)的ICL7660雙極性電源芯片。（1）特性。ICL7660能接受小功率的頻率。（2）應(yīng)用電路。ICL7660應(yīng)用到許多領(lǐng)域。不論從個人還是到國家，還是從電話到航天事業(yè)上運用不少它的技術(shù)。 ICL7660雖然有轉(zhuǎn)換器、分壓器兩種模式，但兩者的區(qū)別還是很明顯的。4.2.4 LM358運算放大器雖然說我們顯示波形最后一步就是數(shù)模轉(zhuǎn)換器了，但它也只是把數(shù)轉(zhuǎn)化為電流信號，最終輸出的信號是要電壓信號輸出的，因此我們需要一個把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號的芯片，于是就找到了LM358。還有個好處就是LM358也能對輸出信號進行放大的一個芯片。LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)其實是個雙運算放大器，它有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)膬?yōu)點。LM358可以運用到電源電壓范圍很寬的單電源中使用，也能在雙電源工作模式中使用，電源電流與電源電壓無關(guān)。它運用的范圍還是很廣泛的，無論在放大器，還是增益直流設(shè)計上都有這種芯片。4.3 硬件設(shè)計單元4.3.1 主控制器電路用AT89S52單片機作為核心的主控器電路，再加上復(fù)位電路、晶振電路、電源的指示燈電路組成了單片機的最小系統(tǒng)。如圖4.5是主控制器電路的原理圖，它是這個設(shè)計的主要控制系統(tǒng)。以它為核心的單片機控制這個設(shè)計的系統(tǒng)，它的操作是很簡單的，而且能很好的與軟件進行兼容來完成本次設(shè)計。 圖4.5 主控制器電路4.3.2 電源轉(zhuǎn)換電路了解了ICL7660這個電源轉(zhuǎn)換芯片的優(yōu)點，因此本設(shè)計選用它作為電源轉(zhuǎn)換芯片，如圖4.6所示是它的工作時候的電路圖。 圖4.6 電源芯片轉(zhuǎn)換電路4.3.3 AD9833電路本系統(tǒng)DDS部分，我們選用的是AD9833模塊，AD9833模塊的電路圖如圖4.7所示。 圖4.7 AD9833模塊電路圖4.3.4 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路如圖4.8所示。該部分電路實現(xiàn)輸出信號的放大或者對進行進行變換等。 圖4.8 信號調(diào)理電路4.3.5 液晶顯示電路液晶顯示是最能展示這個設(shè)計的成功或失敗，因為它是整個設(shè)計的顯示部分，目前市場上有許多型號的液晶顯示器，但是大多數(shù)的還是使用的集成電路的顯示器。為了找到一種最大量滿足我的要求的情況下，我選用了LCD1602液晶顯示器，就是因為它基本滿足要求，而且它的價格還是很便宜的，對學(xué)生還是蠻可以的。本設(shè)計的液晶顯示器要求顯示出頻率等，它的原理圖如圖4.9所示。 圖4.9 液晶顯示電路4.3.6 按鍵電路本設(shè)計的鍵盤采用的是外接鍵盤，因為這個設(shè)計需要切換波形、電壓及頻率等按鍵。鍵盤需要通過軟件編程，確定它工作的方式。按鍵很簡單，只需輕輕的按下就可改變顯示器上的數(shù)據(jù)跟波形，操作是如此的方便，也事實物更加的美觀。按鍵的工作原理圖電路如圖4.10所示。 圖4.10 按鍵工作電路5 控制部分軟件設(shè)計5.1 控制軟件總體設(shè)計流程一個好的軟件控制系統(tǒng)必須需要一個較好的硬件系統(tǒng)，不然軟件的優(yōu)勢發(fā)揮不出來。應(yīng)該調(diào)試出比較好的軟件程序，這樣才能確保與好的硬件系統(tǒng)相結(jié)合來完成本次設(shè)計。目前，基于單片機的系統(tǒng)設(shè)計中，較常用的編程語言有兩種。即匯編語言和C語言。匯編語言結(jié)構(gòu)簡潔，可執(zhí)行性好，執(zhí)行效率高。由于匯編語言編程很復(fù)雜，并且它有較差的可移植性。知道了匯編語言編程的缺點，就看出C語言有著更好地可移植性。此外，C語言的可讀性好，且使用C語言可以非常容易的編寫復(fù)雜的程序，這一點匯編語言是不能夠勝任的。本系統(tǒng)設(shè)計中考慮到系統(tǒng)的可移植性，以及以后的可擴展性等因素，最終選用C語言編程。編程采用自上而下的模塊化編程方法，將所需的各個功能封裝成模塊，這樣增加了程序的可讀性，也是系統(tǒng)的穩(wěn)定性大為提高。單片機應(yīng)用系統(tǒng)的多種應(yīng)用狀態(tài)、應(yīng)用模式，相應(yīng)會有多種多樣的系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)。軟件編程的程序最終體現(xiàn)在按鍵操作上，本系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)屬于以鍵盤為中心的鍵操作結(jié)構(gòu)，軟件部分采用模塊化程序設(shè)計方法。主要流程圖如圖5.1所示。系統(tǒng)上電之后，首先進行液晶初始化，已經(jīng)液晶字符初始化。然后開始1Hz的正弦信號。程序開始是進過液晶初始化與液晶字符初始化，然后向程序中輸入1Hz的正弦信號，先記錄下沒有按按鍵的情況，輸出它的波形跟頻率值。再進行下按鍵操作，根據(jù)按下的按鍵，修改輸出波形和頻率值記錄下來，再按下一個按鍵，依次下去記錄各次輸出的波形跟頻率。 這個設(shè)計最后輸出的波形跟頻率可以通過按鍵來修改得到。所以在主函數(shù)中需要反復(fù)跳動鍵盤掃描函數(shù)，來檢測是否有按鍵按下，一旦有按鍵按下，系統(tǒng)立刻根據(jù)按下的按鍵進行輸出波形的相應(yīng)修改。就拿開始輸入1Hz的正弦波舉個例子，如果輸入之后什么按鍵都沒按，那么輸出的就是一個正弦波，如果輸入后按了波形切換按鍵，那么顯示器上的波形就變?yōu)榉讲ɑ蛘呷遣?，而它的頻率還是1Hz，如果輸入后沒有按波形切換按鍵，只是按的頻率增加或減少的按鍵，那么顯示器輸出的就還是正弦波，但它的頻率就有變化了，根據(jù)你所調(diào)的情況，可能變大可能變小，如果輸入后即按了波形切換按鍵又按了頻率增加或減少的按鍵，那么顯示器上不光會有波形變化，而且波形的頻率也會隨著變化，最后總結(jié)下幾個一般的波形情況寫在論證中。液晶字符初始化液晶初始化輸入1Hz的正弦信號根據(jù)按下的按鍵，修改輸出波形和頻率值輸出設(shè)定的波形和頻率值有按鍵按下？NY 開始 結(jié)束 圖5.1 主要流程圖5.2 DDS模塊的設(shè)計過程每來一個時鐘脈沖Fclk，N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù)X與累加寄存器輸出進行累加，然后把相加的結(jié)果Y送到累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)X相加；另一方面將這個值作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路，幅度/相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個地址輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波形。相位累加器在基準時鐘的作用下，進行線性相位累加，當相位累加器加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，這樣就完成了一個周期，這個周期也就是DDS信號的一頻率周期。DDS模塊流程圖如圖5.2所示。 開始輸入數(shù)據(jù)X 全加器數(shù)據(jù)為Y累加寄存器再通過查表對應(yīng)出輸出的數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出LPF 結(jié)束 如圖5.2 DDS模塊流程圖5.3 鍵盤掃描程序設(shè)計鍵盤掃描程序的流程圖如圖5.3所示。首先，讀取按鍵判斷是不是波形切換鍵按下了，如果波形切換鍵按下，則修改輸出信號的波形，其次，判斷波形頻率值按鍵是否按下。如果按下后，則根據(jù)按下的是增大頻率值還是減小頻率值來改變輸出信號的頻率。 程序的開始如果沒有按下波形的切換鍵和頻率值按鍵就不會產(chǎn)生結(jié)果，如果下按下波形切換按鍵再按下頻率值按鍵就會得到波形，依次的按下去就會得到各個波形在不同頻率值下面的變化的波形，最后一一的記錄下來。 開始波形切換鍵按下？修改輸出信號的波形波形輸出頻率值按鍵按下？修改輸出信號的頻率 結(jié)束NYNY 圖5.3 鍵盤掃描的流程圖5.4 液晶顯示的流程圖 液晶顯示的流程圖跟鍵盤掃描的流程圖差不多。首先，程序先確定下這個波形切換按鍵有沒有按下，如果按鍵按下的話，就會在液晶上顯示對應(yīng)的輸出波形名稱。之后再確定下這個修改頻率值的按鍵有沒有按下。如果頻率的按鍵按下的話，就會在液晶上顯示出對應(yīng)的頻率值。也依次的按下去，把得到的波形一一記錄下來。 6 系統(tǒng)調(diào)試本系統(tǒng)調(diào)試的方法如下：首先，我們先繪制電路板原理圖，確定各個模塊的功能。在確定原理圖無誤的情況下，我們開始焊接電路板。最后在進行實際的測試。6.1 系統(tǒng)硬件實物圖本系統(tǒng)硬件實物圖如圖6.1所示， 圖6.1 硬件實物圖6.2 液晶顯示界面本系統(tǒng)液晶顯示界面如圖6.2所示。由下面的圖可以看到，液晶顯示器上的第一行是波形名稱，比如現(xiàn)在就是正弦波，第二行顯示是輸出信號的頻率值的大小。圖6.2 液晶顯示界面6.3 示波器顯示輸出波形6.3.1 輸出正弦波信號連續(xù)按下實物的波形切換鍵，直到示波器上的波形為正弦波，再通過頻率減小按鍵調(diào)節(jié)頻率，使得到的波形相對穩(wěn)定，最終得到一個頻率為100Hz的正弦波。波形如圖6.3所示。從下圖中可以看到，數(shù)字示波器上的頻率值為99.8Hz，而我們輸出的頻率是100Hz,可以看出輸出頻率的誤差很小。 圖6.3 輸出波形6.3.2 輸出三角波信號同樣是按下波形切換鍵得到三角波，再調(diào)節(jié)頻率增減按鍵使輸出的頻率為100Hz如圖6.4所示是輸出頻率是100Hz的三角波。 圖6.4 輸出三角波信號6.3.3 輸出方波信號波形跟上面顯示正弦波、方波的操作一樣，最后輸出方波信號波形如圖6.5所示。此時輸出方波信號的頻率是50Hz。 圖6.5 輸出方波信號6.3.4 輸出其他頻率的信號輸出234Hz三角波信號，則下面液晶顯示的波形名字跟頻率如圖6.6所示，輸出信號的波形在示波器顯示圖形如圖6.7所示。 圖6.6 液晶顯示界面圖6.7 示波器顯示234Hz的三角波6.4 實驗結(jié)果分析本設(shè)計的結(jié)果是很容易的從示波器跟顯示器上看到的，波形對應(yīng)不同的頻率會使其周期不一樣，我們可以清楚的讀出各個波形在不同頻率上的周期等數(shù)據(jù)，也可以通過看圖自己計算出波形的周期，再對應(yīng)下顯示器上的數(shù)據(jù)，對比下看看有何差異。通過計算發(fā)現(xiàn)二者的大小基本一樣。結(jié)束語通過這幾個月的設(shè)計實踐中，最終完成了這個任意波形發(fā)生器的設(shè)計，自己確實付出了許多汗水，但最終收獲許多。本次設(shè)計主要基于單片機STC89C52，再加上DDS技術(shù)，最后通過自己的焊接來完成這個發(fā)生器的設(shè)計。首先根據(jù)課題的任務(wù)書構(gòu)思出設(shè)計的基本方向，再畫出這個設(shè)計的實現(xiàn)框圖，把它分成各個不同的功能模塊，然后根據(jù)不同功能模塊來實現(xiàn)不同的功能。本設(shè)計主要是利用的STC89C52單片機和AD9833芯片來完成這個電路要求的輸出波形。產(chǎn)生的波形都具有頻率，周期及占空比等可調(diào)操作。為了能控制顯示波形的頻率與幅度就只能采用編程的方法了，開始我對編程一竅不通，但為了這個設(shè)計，我詢問了好多老師和翻閱了好多書籍，最終完成了這個設(shè)計編程的部分。我認為只要自己花費了時間，就一定會得到眷顧的。之后再根據(jù)框圖一步步的完成開始構(gòu)想的要求，最后完成了老師安排的任務(wù)，但是其中也有一起錯誤，比如實現(xiàn)的波形不是那么完美，不能顯示老師提出的遞增的正弦信號，雖然這次沒有完成的很好，在以后我會更加的充實自己的知識。這個設(shè)計能更好的讓同學(xué)們分析各個波形的特性跟產(chǎn)生，可它由于頻率值有誤差，會使波形有點失真。由于本人的能力有限，在芯片的選擇上過于簡單跟廉價，以至于有好多改進措施，比如能產(chǎn)生一些不周期的波形，一次顯示多種波形等，我會在接下來的時間慢慢修改的。最后感謝老師讓我來做這個設(shè)計，我也會盡力完成的。 致 謝一個畢業(yè)設(shè)計的完成，見證的是一個人的成長過程。在這個過程中有對我們給予直接幫助老師和同學(xué)，還有一些默默的在我們身后一直支持我的家人們。在這個將要離開學(xué)校踏上社會的我們，必須要學(xué)會去感恩，在以后的日子里也要做個能幫助別人的人。現(xiàn)在，我要對曾經(jīng)給過我很大幫助的的人說聲謝謝，因為你們的存在才會讓我懂得什么是感恩。在這個時候我會把我所做出的成果獻給養(yǎng)育我多年的父母，是他們的辛苦勞作才會給予我學(xué)習的機會。我知道今天我所有成功的喜悅都離不開他們揮灑的每滴汗水和提供給我的血汗錢。也要特別感謝傳道授業(yè)的老師們及指導(dǎo)我的鄒老師，他們在我學(xué)習的過程中給予了我很大的幫助和啟迪，從他們的身上我學(xué)到了許多書本以外的知識，他們也不斷地告訴我生活中的一些閱歷。同樣感謝那些在大學(xué)學(xué)習生活中幫助過我鼓勵過我的同學(xué)們和朋友們。感謝他們陪伴我這么多年，我眼前不停的顯現(xiàn)那些我們一起瘋狂的場景，真的很感謝你們！參 考 文 獻1 趙文博. 新型常用集成電路速查手冊M. 北京：人民郵電出版社，2006.2 童詩白模擬電子技術(shù)( 第三版) M北京： 高等教育出版社2001 3 季曉衡單片機C程序設(shè)計及應(yīng)用實例M北京：人民郵電出版社，2003-7.4 張肅問 陸兆熊高頻電子線路M北京：高等教育出版社，1996. 5 郭書軍，王玉花基于SOPC的DDS信號源的實現(xiàn)J電視技術(shù)，2005.6 潘松,黃繼業(yè)EDA技術(shù)實用教程( 第一版) M北京：科學(xué)出版， 2002 7 程佩清數(shù)字信號處理M.北京：清華大學(xué)出版社，2001-8. 8 任光亮，呂顯哉頻率捷變引信研究J探測與控制學(xué)報，1996-3.9 詹衛(wèi)前，耿德根Atemga8原理及應(yīng)用手冊M北京：清華大學(xué)出版社，2003 10 王玉珍，李袁柳直接數(shù)字式合成技術(shù)之研究J宇航計測技術(shù)，2004. 11 陳尚松，雷加，郭慶電子測量與儀器M北京：電子工業(yè)出版社，2005 12 湯漢屏，直接數(shù)字頻率合成雜散抑制方法的研究J電訊技術(shù)2000 13 王曉音，聶裕平，龐偉正DDS輸出頻譜雜散的抑制J電子對抗技術(shù)200314 康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分M北京：高等教育出版社，1999. 15 楊波，胡建平一種BIN碼與BCD碼轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與實現(xiàn)信息技術(shù)z200附錄A 整體電路圖原理圖：實物圖：附錄B 程序清單部分程序/-/功能：循環(huán)輸出1KHz方波，正弦波。三角波等/接口：DAT - P1.0/ CLK - P1.1/ FNC - P1.2/-/定義頭文件# include # include # include # include LCD.Hunsigned long set=0;double set_n=0;unsigned char label_n=0;unsigned long f_value=100;/-/sbit ad9833_sdata =P35;sbit ad9833_sclk =P36;sbit ad9833_fsync =P37;sbit wave=P10;sbit labe