基于单片机的DDS9833函数信号发生器设计通信技术专业.docx

摘要 在数字通信中有各种各样的函数信号和非函数信号，这些信号都是由信号发生器产生的，这信号有很多波形，波形的重要参数幅值和频率可以被调整，信号的使用多在电子电路设备、生产制造业和科学技术研究领域。 该系统主要是利用单片机控制信号发生器产生波形，所以其中的主要模块有单片机、直接数字式频率合成器、电源电路和显示模块。通过编写好程序输入单片机，运行程序控制信号发生器，结合直接数字式频率调整波形的频率和振幅，合成器产生不同的波形，常见的波形有三角波、锯齿波、方波、正余弦波。能够调节的频率为一千赫兹，调整波形的振幅从0到2.5V，操作方法是利用放大器对信号的振幅进行放大，放大后的范围是原来的两倍，合成器的显示部分由数码管完成。 【关键词】：AD9833；89C52；DDS；信号发生器 ABSTRACT Keywords:89C52; DDS converter; AD9833; signal generator; 1绪 论 1.1 课题研究背景 在各类信号发生装置中函数信号发生器是十分重要的一种，它可以生成一定周期的函数波形，典型的有以下几种:正弦波、方波以及三角波等，相关频率范围也比较广:微赫—几十兆赫兹不等。现如今，最主要的用途是为各种电磁电路实验设计做信号源。 上世纪中后期模拟电子技术是信号发生器主要使用技术，主要有以下两部分构成:首先是模拟集成电路，其次是分立元件，这种结构相对繁琐，并且在产生波形方面受到严重限制，只能产生一些正弦波，方波和三角波等等。并且在对波形输出的复读过程中稳定性不强，主要归因于电路的漂移较大。模拟集成电路的缺点主要体现在体积大、价格昂贵、功耗大等方面。 微处理器诞生于上世纪70年代。在不断的发展中不断的添加新的器件:首先是处理器，其次是模数转换器（A/D），最后是数模转换器（D/A），这样一来，信号发生器的功能便可在硬件与软件方面得到扩大，以产生更加复杂多变的波形。在这一阶段中，开发重点集中在软件方面，DAC(数模转换器)程序控制主要通过微处理器进行操作，从而完成对波形的生成。然而在此过程中会存在最大的缺陷便是输出波形的频率较低，主要归因于CPU工作速度缓慢，想要对此进行改变的最基本途径是对硬件电路进行改进。 现如今信息通信技术得到了飞速发展，并且电子技术在不断完善中成效显著，同时给我们的生活带来了巨大改变。现如今单片机的应用越来越广泛，同时为仪器设备智能化的发展起到了巨大的推动作用。和其余信号发生器相比它的主要优点在于：首先是波形幅度得到有效地提升，再次是质量得到改进，最后是频率稳定性得到改善，与此同时，也得益于单片机应用技术的不断完善，同时也为以往的控制工作改进奠定了基础。在仪器中采用单片机进行构造，可以实现高性能，高可靠性的目的，并且应用非常广泛，在办公自动化和智能仪表系统中运用非常普遍[1]。 1.2 研究内容及意义 该系统是利用单片机运行程序控制信号发生器产生相应的波形，并调整波形的参数。设计的内容主要是发生器的设计，编写可以对波形信号调幅、调频的程序并将编写好的程序输入单片机中。波形的产生是因为当单片机运行程序时，接收到外部的切换指令，单片机开始调用各种子程序来实现当下任务的中断和对应波形的生成子程序，产生的波形再经过D/A转换器和放大器处理后再从发生器输出。 1 方案论证 1.1单片机选择与论证 方案一：STC89C52单片机虽然参与运算的数据长度只有8位，但是它是高性能的微型计算机，它将所有的部件集成在一起。 方案二：C8051F005单片机也是集成芯片，它所带控制器内核具有很强的适应能力，能与多种设备相互兼容。它能胜任数据采集和控制工作，因为它比AT80S52单片机多了模拟部件和各种形式的数字外接设备。 对比两种方案的优缺点进行方案选择，第二套方案由于性能强劲，单片机内部芯片电路结构复杂，电路设计和焊接难度都比方案一难、成本也要高，同时在控制方面也不如方案一的单片机容易控制，综合分析决定使用STC89C52单片机。 1.2 DDS选择与论证 DDS选择提供了三套方案，第一套使用八位的数模转换器；第二套使用直接数字式频率合成器；第三套使用的是单片机自带的基准源。 方案论证： 第一套方案基本满足设计要求，但是考虑到输出的效果不好，难以达到要求的精度，且波形不够圆滑达不到理想状态，所以不适合该系统的使用。 第二套方案输出的波形精度较高，而且输出精度可控，输出的信号频率也可以很高，满足使用要求。 第三套方案虽然也可以实现高精度输出信号，但是考虑到价格成本的因素，并且输出信号的最大频率不够设计要求，不符合实际使用。 对比三套方案的优缺点和实际需要，最终采用第二套方案[2]。 1.3 显示模块 方案一：初步考虑数码管作为显示模块，它的优点是可以提供很高的亮度、低成本，缺点是结合该火灾报警系统的实际情况，通过数码管显示众多内容会加大电路设计难度、也不符合节能设计的要求，因此放弃初选的方案。 方案二：考虑到显示内容较多的因素可以采用点阵数码管显示器，该显示器可以显示复杂的内容和文本，不过用于该系统又性能过剩，使得成本的浪费，所以也放弃了该方案。 方案三：最后想到折中的方案就是LCD1602液晶屏，这种显示器的显示内容多，还可以通过组合扩大可视面积，具有一定的防干扰效果，简单的使用方法还节省了软件的资源。该方案在显示要求上完全满足系统的要求，同时电路设计也较简单、还满足节能设计的要求，最终采用。 1.4、电源模块的选取 电源模块的选择提供了两套方案，第一套直接使用开关电源，第二套使用自己设计线性电源电路。 方案优缺点对比： 第一套方案的优点在于用很小体积的电源模块实现高效的电流源利用，而缺点是开关电源存在波纹电压和电流过大的现象，从而不能实现高精度输出的要求。 第二套方案正好改善了第一套方案的缺点，通过自己设计制造可以使电源的纹波电压不过大。该系统中需要提供两种电压的电源，可以用线性电源提供所要的5伏和15 伏的输出电压。 对比两种方案的优缺点，结合系统的电源要求，决定采用第二套方案。 2硬件电路设计 2.2 系统原理框图简介 根据系统的功能和实现原理，所以系统包含了单片机、直接数字式频率合成器、按键、放大器、电源电路和显示模块。系统的电源要求为5伏，按键可以来切换发生器产生的波形类型，给出切换指令给单片机控制合成器来调整波形信号的幅值和频率，然后输出相应的波形。显示模块负责显示波形的频率和类型。 2.3 电源电路设计 图5电源电路 电源供电电路最主要的包含了直流线性稳压器，在图2-3中表示了其的一般组成。 供电电路的性能分析： 电源电压首先经过变压器变压再经过整流后输出电压U0[3]。 而整流后的电压值并不是恒等于U0，表示的是一个周期内瞬时值的平均值大小，即 按照波形的特点计算平均值 （公式二） 计算整流电路中的二极管正向平均电流： 该整流电路的特点是两个整流二极管平均分掉了输出电流，因此正向平均电流的大小为输出电流的一半。即 （公式三） 为了满足电路的滤波和整流效果，对其整流二极管的选择必须要用大容量的规格。原因在于，电路还没有加入滤波电容器之前，整流二极管已经有半个周期进入了在导通状态下，在接入以后二极管的开合受到电容器的状态控制，电容器不在充电时二极管闭合。考虑到二极管在实际工作时所处的状态，为了延长其使用时间必须选择其规格大于负载电流的2-3倍[4]。 电流在经过整流和滤波操作后的电压大小为UI，连接在输入端与公共端之间，而输出电压为Uout。通常情况下，两者的大小相差2-3V。 从图2-2中可以发现，因为7815和7805两端允许的电压最大值不同，若直接相连，则两端的电压差为10V，从而产生过大的电流经过，势必会增加其功耗，甚至会烧坏设备，因此需要在两者之间加一个稳压块7809使7815输出的电流加在7805上时两端电压差变为4V，降低其功耗[5]。 电解电容是元器件中关键的一个结构，该部分的作用是调节线路中的电流，从而起到改善负载的作用。当采用长线路传输时，由于电感的效应会导致线路中产生较多的热量，这时可以采取在线路中接入一个瓷片电容来对线路进行保护。具体的线路布局如图2-2所示： 一般来说，线路中的电压需要稳定在+15V，但是通常供给的电压是达不到15V的，在实际的操作中经常采用运算放大器来放大输入的电压。另一方面，实际中有时候也要求输入的电压为5V，当刚开始输入线路的电压为9V时，DDS数字芯片是无法正常工作的，此时需要经过运算放大器来使输入的电压降低到5V。 PCB布线时对于不同类型线路的布局有着严格的要求，总的来说数字线路和模拟线路之间不能存在线路上的干涉，布线的过程中为了尽可能减小不同线路 之间的影响，可以采取在两种不同类型的线路之间接入0欧姆电阻。 2.4 单片机最小系统设计 根据此次课题的实际要求，本次采用型号为的单片机，下面简单介绍一下该型号单片机的特性。该型号单片机最大的特点就是可以在较低的电压环境下运行，在运行的过程中可以同时进行8位的数据处理，而且支持多次对存储器进行读写操作。C8051F005单片机也是集成芯片，它所带控制器内核具有很强的适应能力，能与多种设备相互兼容。它能胜任数据采集和控制工作，使得AT89C52型号的单片机为许多实际工程应用提供了高效可行的方案[6]。 2.4.1 单片机主控电路 由实验原理图可知，为了更好地反映输出波形的变化状态，需要在线路中接入四个LED指示灯来对其运行状态进行指示。一般来说，单片机的P0端口需要与数码管的接口相连接，从而控制LED指示灯可以正常发光。单片机的P2端口与AD9833的输入端连接，对输出的波形进行控制。除此之外，线路中还有一个复位键RST。该型号单片机的控制电路的具体结构如图2-6所示： 2.4.2单片机最小系统组成 单片机最小系统顾名思义即其可以进行工作的最基本系统，单片机的最小系统涵盖了下列几个模块：4V-5.5V的数字电源，时钟，复位。 CPU进入工作状态时要有一个时钟脉冲。有两种产生时钟脉冲的方式: 一是时钟内接法，即由单片机内部产生时钟脉冲；二是时钟外接法，也就是通过外部电路向其传递时钟脉冲。同时为了让其能在初始状态下进行工作，就必须要进行复位。单片机的复位工作需要振荡器来完成，复位的原理是通过高电平进行复位的，RST管脚完成工作需要至少2个机器周期的高电平，事实上一般情况下都会超过两个周期，考虑到复位的可靠，往往还需要再加两个周期。在进行高电平复位时，必须保证RST和提供电源的VCC管脚的电平同步上升，否则，比如RST一直位于高电平情况下，那么单片机就会持续不断的完成复位工作。 复位方式：MCU的复位电路能够划分为上电和按钮手动复位这两种模式。在这一次的课题设计中所选用的是外部复位电路进行完成。在VCC上升时间小于1毫秒(),振荡器启动时间小于10毫秒。整个电路就会再次开启微控制器。同时在复位过程中要在引脚上维持超过2个周期的高电平，才可以完成操作，指导恢复为低电平之后复位工作终止，而在复位按键被按下后这时的电容处于断路状态，两端构成一个闭合回路，电容进行放电，此时想要进行复位也是极为简便的，只需把引脚和电源连接就能够顺利达成目的。不过要重点提及的是,若是复位电路里面的R、C的值设定不合理,导致复位的时长过久,单片机就会不断的进行反复复位操作。 2.5 DDS输出设计 本次实验中使用到的DDS芯片的型号为AD9833，该型号单片机最大的特点就是可以在较低的电压环境下运行，在运行的过程中可以同时进行8位的数据处理，而且支持多次对存储器进行读写操作。C8051F005单片机也是集成芯片，它所带控制器内核具有很强的适应能力，能与多种设备相互兼容。实验中主要用到三种类型的信号，分别是方波、正弦波以