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1、基于单片机正弦波系统信号发生器学校：宿州学院班级：08 电气一班姓名：李伟指导教师：郑伟1基于单片机正弦波系统信号发生器 绪论2第一章 系统概述和方案31.1 引言31.2 方案选择31.3 DDS 的理论分析与参数计算 31.3.1 DDS 的基本原理 31.3.2 参数计算.41.4 信号发生芯片选择4第二章 系统硬件设计62.1 系统总体设计62.2 单片机介绍及与 AD9835（DDS）连接电路62.2.1AD89S51 芯片介绍 62.2.2 AD9835（DDS）芯片介绍72.3 信号发生器82.4 低通滤波电路92.5 D/A 转换及浮动控制电路 102.6 信号放大器102.7
2、 显示电路112.8 键盘电路122.9 电源电路12第三章 系统软件流程图143.1 主程序流程图143.2 键盘处理子程序流程图143.3 D/A 转换子程序流程图15致谢17附录182绪论基于单片机正弦波系统信号发生器设计,该课题的设计母的是充分运用大学期间所学的专业知识,考察信号发生器的基本功能,完成一个基本的实际系统的设计全过程.通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片,可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形.这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围.直接数字频率合成（DDS）是近年来发展起来的一种新的频率合成技术。其主要有点是相对带宽很宽、频率转换时间极短（可小于
3、20ns） 、频率分辨率很高、全数字化结构便于集成、输出相位连续、频率、相位和幅度均可实现控制。因此能够与计算机紧密联系在一起，充分发挥软件的作用。作为应用现在已有DDS 产品用于接收基本振、信号发生器、通信系统，雷达系统、跳频通信系统等。本文介绍一种由直接数字频率合成芯片 AD9835 设计的正弦信号发生器，该芯片支持高达 50MHZ 的时钟频率，可以产生最高达 25MHZ 的正弦波形。通过单片机控制完全可以满足设计所要求的正弦波信号的生成。本文主要分六大部分；绪论，系统概述和方案，硬件部分，软件部分，展望和致谢。绪论，首先对课题研究背景和所涉及的相关技术领域进行了介绍；第一章对系统所要完成
4、的功能和可拓展的功能进行概述，确定系统的设计方案主要元器件的选择。第二章对系统的硬件结构和各部分组成做了简单的介绍和讲解。第三部分是软件部分，这部分主要介绍了主程序的流程框图及各个子程序的流程框图，最后对整篇文章进行了总结。3第一章 系统概述和方案1.1 引言信号发生器的实现方法很多，传统的波形发生器通常由晶体管、运放 IC 等分离原件制成。与此相比，基于集成芯片想波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点，且大多能产出正弦波、矩形板和三角波等多种波形。根据设计要求，又基于 DDS 芯片 AD9835 在正弦波产生方面的优良特性，这里提出一种基于 DDS AD9835 的正弦波信号发
5、生器的设计方案。本次设计的基于单片机的信号发生器设计就是一个单片机控制系统，对信号发生芯片进行的控制。通过单片机对信号发生芯片经行精密控制，实现对波形的频率和幅度的控制。这些控制可以通过键盘设定，这就要求对选择的信号发生芯片，选用的单片机有初步的了解，并对整个系统的结构有个合理的分配。1.2 方案选择方案一：直接利用单单片机编程产生正弦波优点：简化了产生正弦波的硬件和软件，电路结构简单。缺点：编程复杂，波形失真较大，不能达到要求输出的高频信号。方案二：利用单片机控制直接数字频率合成芯片 DDS 产生的正弦波，通过单片机，键盘 LED 数码显示管显示实现波形的数字控制。优点：控制简单，波形效果好
6、，频率带宽。缺点：硬件电路复杂。为了满足设计要求，取得较好的效果，显然方案二更为合理。1.3 DDS 的理论分析与参数计算 1.3.1 DDS 的基本原理 DDS 的基本原理是:在高速存储器中放入正弦函数相位数据表格，经过查表操作将读出的数据送到高速 DAC 产生正弦波。可编程 DDS 系统原理如图所示：4图 1 DDS 的基本原理图DDS 系统由频率控制字，相位累加器，正弦查询表，数|模转换器和低通滤波器组成，参考时钟为高位定度饿晶体振荡器，其输出用于同步 DDS 各组成部分的工作。DDS 系统的核心是相位累加器，它由 N 位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。没来一个时钟脉冲，相位寄出
7、去的输出就增加一个步长的相位增简单计算器。每来一个时钟脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为 DDS 的输出频率，正弦查询表是一个可编程只读寄存器 PROM,存储的是一相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中 0-360 度范围的一个相位点将相位寄存器的输出与相位控制字相加得到一个数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅
8、度信号驱动 DAC，输出模拟信号。低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦信号。1.3.2 参数计算对于计数容量为 2n 的相位累加器和具有 M 个相位取样点的正弦波形存储器，若频率控制字为 K，输出信号频率为 f0,参考时钟频率为 fc,则 DDS 系统输出信号的频率为 F0=(k/2n)fc输出信号的频率分辨率为faln=(1/2n)fc由奈奎斯特采样定理可知，DDS 输出的最大频率为 fmax=fc/2，频率控制字可由以上公式推出 K=f02n/fc。当外部参考时钟频率为 50MHZ 时系统时钟经过 6 倍频率，使得 fc 频率为300MHZ，这样就可利用以上公式计算
9、出 DDS 的需要设计的控制频率为K=1*248/3001.4 信号发生芯片选择系统采用数字波形合成技术产生任意波形，其基本原理是设法将任意波形5的采样点的值依次通过数模转换器转换成模拟量输出。据图原理如下：首先自定义一个周期波形函数，其值按等距采样四个点，然后进行离散化取值，采样后得到该波形一个周期内四点的波形数据，把它按 D/A 位数进行取整转换，合成偏移码表存放于单片机数据存储器 RAM 中，根据波形时间参数值，依次去每个点的偏移码通过 I/O 输出给 D/A 转换器。如此循环取值，便可以得到连续的波形信号。根据设计要求，本系统的设计基于直接数字频率合成技术，采用单片机AT89S51 控
10、制 DDS 芯片 AD9835，通过改变 AD9835 内部编程控制寄存器所选的操作模式，相位累加器的位数，频率控制字和幅度控制字，以产生频率稳定度达106，最小频率步进为 1HZ，多档可调的正弦信号，在使用可编程控制器对输出电压进行精确控制，在频率范围内能产生二进制 PSK,ASK 信号。在 100KHZ 固定频率载波进行二进制控制，二进制基带序列码速率固定为 10Kbps,二进制基带序列信号自行产生，能够产生模拟调制 AM 信号。正弦波发生器是本设计的核心部分，波形发生器要求能产生模拟 AM,FM 调制信号和二进制 PSK，ASK 信号，以及优于 106 的频率稳定度，且在 1KHZ-10
11、MHZ 的大范围内进行 1hz 的步进调整。采用直接数字频率合成技术，用随机读/写存储器 RAM 存储器所需波形的量化数据，按照不同频率要求，以频率控制字 K 为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据，经 D/A 转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形了。由于 DDS 具有相对带宽很宽、频率转换时间极短，频率分辨率高，全数字话结构便于集成等优点以及输出相位连续，频率，相位及幅度均可实现程控，因此，可以完全满足。6第二章 系统硬件设计 2.1 系统总体设计 图 2 总体设计原理图基于 DDS 芯片 AD9835 的正弦波信号发生器主要由 AT89S51、DDS
12、芯片AD9835、D/A 芯片 TLC7524 和射频运算放大器 AD829 组成，如图 2 所示，单片机 AT89S51 控制 DDS 集成电路 AD9835，输出所需要的频率正弦波信号。单片机还用于控制输出信号幅值，检测按键，控制 LED 显示，并与 PC 通讯接收远程指令。AD9835 输出的信号经低通滤波器滤除高频干扰后送至 D/A 转换器TLC7524，控制其幅值，TLC7524 输出后经运算放大器 AD829 放大，最后输出满足所要的正弦波。2.2 单片机介绍及 AD9835（DDS）连接电路2.2.1 单片机 AT89S51 介绍单片机作为系统设计的核心部分,在系统功能实现过程中
13、起到了决定性的作用.AT89S51 是高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复可搽写的只读程序存储器 PEROM 和 128 bytes 的随机存取数据存储器 RAM，片内置通用 8位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元。AT89S51 中有一个用于内部振荡器的高增益反向放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体及电容 C1，C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。它能影响振荡器的稳定性。我们选电容值为 30pF。AT89S51 有强大的 I
14、/O 口分别是PO.O-PO.7，-P3.O-P3.7。构成了 4 个并行 I/O 接口，完成数据的传送和控制。7具有丰富的 I/O 口内置定时计数器和终端系统单片机的引脚分别和功能如下：本设计采用 AD9835 的 P3 口的部分 I/O 口的第二功能 P3.3，RXD，TXD 分别与AD9835 的 FSYNC,SDATA,SCLK 连接。2.2.2 AD983 芯片介绍AD9835 芯片主要技术指标如下：频率范围： 0.1HZ-10MHZ频率分辨率：0.1HZ频率稳定度：1*107输出幅度：0-10v 可调AD9835 的相位累加器为 32 位，取其高十二位为读取余弦波形存储器的地址。每一次，时钟使相位累加器的输出也即余弦 ROM 寻址地址递增频率设定数据 K,对应的波形相位变化为P=2n *K/232因此，改变相位累加器设定值 K，就可以改变相位值 P，从而改变合成信号频率 f。计算公式：f=K*fmc/232式中
