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1、河南大学物理与电子学院开放实验室单片机设计报告基于DDS的高精度信号发生器设计设计人：开放实验室入室人员摘要：10前言21系统设计及选择分析21.1总体方案21.2方案比较21.3选择实施方案32系统硬件电路设计32.1信号发生器控制系统32.2单片机控制单元42.3信号产生单元62.4显示系统82.5实现单片机与AD9850之间的连接83系统软件分析103.1系统概述103.2系统显示程序设计103.3系统AD9850的控制程序设计103.4系统的部分核心源码134结论17参考文献18基于DDS技术的信号发生器的设计摘要：本文讨论了利用DDS（直接数字频率合成）技术制作信号发生器的方法，介绍
2、了设计信号 发生器所用到的DDS相关技术。信号发生器使用8位单片机AT89S52作为控制模块单元， 结合芯片AD9850就实现了直接数字频率合成技术（DDS），该信号发生器采用C语言作为 系统程序，通过AT89S52控制DDS芯片AD9850产生0HZ-20MHZ频率可调的两种信号波 （正弦波、方波），同时还采用8位数码管作为频率调节的显示界面。整个系统结构紧凑， 电路简单，功能强大。可广泛应用于生产实际和科技领域中。关键词：DDS；正弦波；方波；AT89S52； AD9850The design of signal generator based on DDS technologyLiang
3、 b-j（School of Physics and Electronics, Henan University, Henan Kaifeng 475004, China）Abstract:This part discusses the method of making a signal generator which uses the DDS technology,and introduced the use of DDS related technologies.The signal generator uses the 8 single-chip AT89S52 as its contr
4、ol module unit,combined with DDS chip AD9850,to produce 0HZ20MHZ frequency adjustable two signal wave（sine wave and square wave）,the display unit uses 8 digital tube as its display, .so this signal generato is clear and consice.lt can be widely applied production and in the field of science and tech
5、nology.Key words:DDS;Sine wave; Square wave; AT89S52; AD98500前言随着数字技术的飞速发展，高精度动态范围，数字/模拟（D/A）转换器的出 现和广泛应用，用数字控制的方法从一个标准参考频率源产生多个频率信号的技 术，即直接数字合成（DDS）技术异军突起。其优点有：（1）频率转换快：DDS频率转换时间短，一般在纳秒级；（2）分辨率高：大多数DDS可提供的频率分辨率在1 Hz数量级，许多可 达 0. 001Hz；（3）频率合成范围宽；（4）相位噪声低，信号纯度高；（5）可控制相位:DDS可方便地控制输出信号的相位，在频率变换时也能 保持相位
6、联系；（6）生成的正弦/余弦信号正交特性好等。因此，利用DDS技术特别容易产生频率相对带宽较宽、频率转换时间极短、 频率分辨率高、相位可控的信号，这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对 抗等领域具有十分广泛的应用前景。美国AD公司推出的高集成度频率合成芯片 AD9850就是采用DDS技术的典型产品之一。针对DDS的上述特点，本文基于 AD9850器件设计了一种信号发生器，在给定电源电压条件下，设计并制作一个 正弦波和方波信号源。1系统设计及选择分析1.1总体方案设计制作一个能产生正弦波和方波信号源。要求信号频率在0HZ-20MHZ 范围内能程控步进调整，方波的占空比在2%98%之间能程控步进
7、可调，且性能 良好，满足指标。1.2方案比较1.2.1正弦波的产生方案一：采用单片函数发生器（ICL8038）,可同时产生低失真的正弦波、脉 冲波，方法简单，用D/A转换器的输出来改变调整输出电压，也可以实现数控 调整频率，但是其电路由于采用正负电压，地线是浮置的，产生的信号的步长难 以满足要求，且频率稳定度不高方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环将压控振荡器（VCO）的输出 频率锁定在所需频率上，通过这种锁定不同的频率从而实现实现输出不同频率信 号。该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路较为复杂， 不适于产生低频信号。方案三：采用直接数字频率合成器（DDS）,可用硬件或
8、软件实现。即用累 加器按频率要求对相应的相位增量进行累加，再以累加相位值作为地址码，取存 放于ROM中的波形数据，经D/A转换、滤波即所得需要正弦波波形。方法简单, 频率稳定度高，易于控制。1.2.2方波的产生方波可由正弦波整形得到，关键是如何控制占空比，对此有几种方案：方案一：由D/A转换器产生占空比相应的电压，将之与正弦信号进行比较 就可得到所需占空比方波。但这种方法精度较差，难以达到2%的步进的要求。方案二：先把正弦波变换为锯齿波或三角波，然后进行比较。这样一来虽然 可以提高精度，但电路复杂，成本较高，调试也困难。方案三：采用计数定时方法，先将正弦波变换为方波，再用它的上升沿触发 计时电
9、路，该电路在计时期间输出为高电平，计时终止后输出为低电平，该输出 波形即为所需要波形。这种方法计时精度高，成本低。1.3选择实施方案根据以上分析，选用如下方案。（1）正弦波的产生800Hz以下的正弦波产生采用软件相位累加DDS方案来实现。800Hz 20MHz的正弦波采用动态生成程序的方法来实现。（2）方波的产生方波由同频率的正弦波产生，采用计数定时方案来实现占空比的步进调整。 为提高占空比的精度，采用预分频和择优技术，通过预分频和择优技术从而控制 方波的产生。2系统硬件电路设计2.1信号发生器控制系统本信号发生器系统主要有单片机控制模块单元、信号产生单元、按键电路和 显示电路等四大模块电路构
10、成。其中信号产生单元和单片机控制模块单元是构成DDS信号发生器系统不可分割的两大部分。系统框图如图1所示:图1 DDS信号发生器系统总体电路实现框图2.2单片机控制单元单片机控制模块单元是整个信号发生器的重要组成部分，通过单片机控制模 块单元、信号产生单元、按键电路、显示电路等的连结，从而控制信号的产生、 频率的改变和显示。AT89S52是美国ATMEL公司生产的低电压、低功耗、高性 能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的只读存储器（PEROM） 和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用该公司的高密度、非易 失性存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统
11、及8052产品引脚兼容，片内置 通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，具有1000次擦写周期，三级加 密程序存储器I/O线，三个16位定时器/计数器，六个中断源，全双工UART串 行通道，低功耗空闲和掉电模式，看门狗定时器，双数据指针，全静态操作： 0HZ-33MHZ,掉电标识符。另外AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种 软件可选择节电模式。32个可编程AT89S52构成的单片机系统具有结构简单、 造价低廉和效率高等优点的微控制系统，由于内部集成了 RAM、ROM等器件， 减少了硬件开销，提高了系统的性价比。因此，本单片机控制模块采用AT89S52 芯片2302.2.1
12、 AT89S52主要性能参数(T2) P1.0 匚 140_J vcc(T2 EX) P1.1 匚239ZJ PO.O (ADO)P1.2 匚338ZJ P0.1 (AD1 )P1.3 匚437 PO.2 (AD2)P1.4 匚536Z P0.3 (AD3)(MOSI) P1.5 匚635Z P0.4 (AD4)(MISO) P1.6 C734Zl PO.5 (AD5)(SCK)pi.7 r8331 PO.6 (AD6)RST匚932P0.7 (AD7)(RXD) P3.0 匚1031 EA/VPP(TXD) P3.1 匚1130 ALE/PROG(INTO) P3.2 匚1229 PSEN(
13、INTI) P3.3 匚1328 P2.7 (A15)(TO) P3.4 匚1427 P2.6 (A14)(T1 ) P3.5 匚1526Zl P2.5(WR) P3.6 匚1625-P2.4 (A12)(RD) P3.7 匚1724 P2.3 (A1 1)XTAL2 r1823一 P2.2 (A1O)xtali r1922P2.1 (A9)GND匚2021P2.0 (A8)图2 89S52引脚图与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、256 字节RAM、1000次擦写周期、三级加密程序存储器；工作频率范围：0Hz33MHz； 4个8位并行可编程I/O 口，其中P0
14、P2P3是复用口（P0和P2位地址/数据线,可寻址64KB ROM和64KB RAM ）；三个16位定时器/计数器；八个中断源，两个优先级嵌套结构；全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符； 一个片内晶振及时钟电路；工作电压：5VO2.2.2 AT89S52功能特性概述AT89S52提供以下标准功能8k字节Flash闪存存储器，256字节内部RAM,32个I/O 口线，3个16位定时/计数器，个6向量两级中断结构，个全双工 串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑 操作，并支持两种软件可选的节电工作
15、模式。空闲方式停止CPU的工作，但允 许RAM,定时器/计数器，串行继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振 荡器停止工作并禁止所有其它所有部件工作直到下一个硬件复位。2.3信号产生单元信号产生单元是信号发生器信号产生的根本来源，通过单片机可以控制其产 生信号的频率。本系统采用AD9850作为信号产生芯片。2.3.1功能介绍AD9850是一款采用32位频率控制字的DDS芯片，最大时钟频率为 125MHzo本设计中采用100MHz,输出正弦波频率时的分辨率可达0.02328Hz。 AD9850输出信号的频率fut可通过式子2.1进行计算：fout=（线gXEs） 4-223（2.1）其中漕!BS8为32位频率控制字的值；瓦为标准参考时钟的频率。（瞬D3D4D2D5D1D6D0D7DGNDDGNDDVDDDVDDWCLKRESFQUDIOUT
