基于DDS的信号发生器设计

基于DDS的信号发生器设计
摘要本设计主要是基于DDS的信号发生器的设计，该信号发生器主要有三大模块，主控制器模块、信号发生模块和液晶显示模块。

采用A T89S52单片机为主控制器，由它来控制DDS芯片AD9835再通过LCD12864显示输出信号信息，可以完成数字量输入到模拟量输出的转换，然后经运放调节电压幅度，产生0Hz～15MHz的正弦波、三角波和方波，最后由液晶屏显示。

关键词A T89S52；AD9851；LCD12864
1.课程设计任务
设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编的特定频率的信号。

图1-1设计任务要求
2.课程设计题目
多功能信号发生器设计以DDS为核心设计一个信号发生器，可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波信号和单脉冲输出。

技术参数：
•具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性信号变化的功能；
•用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的频率、相位和幅度；
•输出信号的频率范围为0Hz~15MHz；重复频率可调，频率步进间隔1Hz；
•波形输出幅度0~5V可调；
•具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能；
发挥部分
•用键盘或其他输入装置产生任意波形；
•波形输出幅度0~5V可调；
•增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度比那化不大于±3‰（负载电阻变化范围：100Ω～∞）；
•具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置；
3.设计总体方案选择
本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。

在设计的过程中，我们综合考虑了以下四种实现方案：
3.1方案一
采用555集成芯片函数发生器，555可以产生可变的正弦波、方波、三角波及实现频率控制,但由于产生的频率较低，本方案将不采用。

3.2 方案二
采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器ICL8038，产生频率（0.001～300KHZ）可变的正弦波、三角波、方波及数控频率调整。

但是，由于ICL8038自身的限制，输出频率稳定度只有10-3（RC振荡器）。

而且，由于压控的非线性，频率步进的步长控制比较困难。

3.3 方案三
采用MAX038函数发生器，MAX038是一个精密高频波形产生器。

能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波信号。

频率范围从0.1Hz～20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V（P－P）。

但由于此芯片目前已经停产，销售的价格比较昂贵。

3.4 方案四
采用DDS波形发生技术，采用AD9851和单片机相结合的方式实现对频率的控制。

AD9851内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率、相位控制字，相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后，决定最终输出信号频率和相位的范围及精度．然后再经过内部D/A 转换器，得到最终的数字合成信号。

这个高速DDS芯片时钟频率可达180MHz，输出频率
可达70 MHz，分辨率为0.04Hz。

综合考虑其性价比，选择方案四。

本设计采用DDS技术作为本设计的核心，不仅基于其低成本，而且在输出频率控制方面也显得很方便。

其输出的频率、幅度均可调，精度高，分辨率低等一系列优点将是本设计方案的不二之选。

4.单元模块设计
4.1 AT89C52为核心的控制器模块
为了节约成本，本电路中采用LQFP封装44脚的单片机，该系列单片机是51单片机中增强型单片机，它体积小，工作稳定可靠，功耗低，抗干扰能力强等优点，使得本设计能顺利地完成。

本电路中主要使用了该单片机的P0、P1、P2以及部分P3口，P0口主要是和液晶的8位数据口相连接，以便对液晶进行读写操作；P1口是与AD9851的8位数据口相连，对频率、相位控制字进行控制；P2口中的P2.0、P2.1、P2.2分别与液晶的控制引脚RS、R/W、E相连，其余5位是和独立式键盘S1、S2、S3、S4、S5相连接；P3口中P3.0、P3.1分别是与MAX232的9、10引脚相连，从而进行串口通信，P3.2是和AD9851中的复位引脚（22）相连，P3.6、P3.7分别与AD9851的W_CLK、FQ_UD两个控制引脚相连，另外，还有单片机的第4引脚与一些阻容组件构成系统的复位电路，以及14、15引脚与外部的无源晶振构成系统振荡电路，还有16、38引脚是与电源相连接。

以上即为AT89C52的引脚在本电路中的使用分配情况。

4.2 AD9851在系统中的应用模块
由于 AD9851 是贴片式的体积非常小，引脚排列比较密，焊接时必须小心，还要防静电，焊接不好就很容易把芯片给烧坏。

还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。

此外，为了不受外界干扰，添加了不少的滤波电路，显得整个电路完美。

AD9851有并行和串行两种控制方式，本设计中采用并行控制方式，在并行输入方式下，通过8位总线D0～D7将外部控制字输入到寄存器，在W
－
CLK（字输入时钟）的上升沿装入
第一个字节，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W
－
CLK的上升沿读入5个字节数
据到输入寄存器后，W
－CLK的边沿就不再起作用。

然后在FQ
－
UD（频率更新时钟）上升沿
到来时将这40位数据从输入寄存器装入到频率∕相位寄存器，这时DDS输出频率和相位更新一次，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待下一次的频率∕相位控制字输入。

并行方式由5组8位控制字反复送入，前8位控制输出相位、6倍参考时钟倍频器、电源休眠和输入方式，其余各位构成32位频率控制字。

图4-1 AD9851输入时序图
AD9851在本设计中的应用电路图如下所示：
图4-2 AD9851应用电路图
4.3LCD12864显示模块
由于本设计采用带中文字库的液晶，使得整个系统运行显得更加直观明了，它具有串
行、并行两种控制方式，本设计采用8位并行接口方式。

引脚说明及在电路中的连接方式
1、2引脚分别与电源相连接；3号引脚接电位器的中间部分；4、5、6引脚是与单片机的P2.0、P2.1、P2.2相连；由于采用该液晶的8位并行接口方式，所以7～14引脚与单片机的P0口相连，进行数据传输；16脚悬空；15、17、19接+5V电源；18引脚接电位器的一端；20脚接地。

图4-3 LCD12864显示电路图
4.4滤波模块
由于直接从AD9851输出端输出的波形为阶梯波，波形不够平滑，因此，本设计中需要在输出端设置一个截止频率为25MHz 的低通滤波器。

在AD 公司AD9851的数据手册上提供了一个截止频率为70MHz 的椭圆低通滤波器，其电路图如下图所示。

图4-4 滤波电路图
在该电路图上运用反归一化的方法进行更改就可以得到所需的电路，可以省却进行查表计算的麻烦。

该滤波器的3dB 截止频率为f1=70MHz ，与要求的3dB 截止频率f0 =25MHz 相比，频率标定系数FSF 为
FSF=f0/f1=25/70=0.36 （4.1）
将70MHz 截止频率的滤波器的电感、电容值同时除以FSF ，即可得到25MHz 截止频率的椭圆低通滤波器，如图2-4所示。

25MHz 椭圆低通滤波器的组件值为
L1=470nH/FSF=470nHx2.8=1.32uH
L2=390nH/FSF=390nHX2.8=1.09uH
L3=390nH/FSF=390nH*2.8=1.09uH
C1=22pF/FSF=22pFX2.8=61.6pF R 9200C 856P
C 9
2.7P C 11100P C 15
16P C 16
13P C 23
56P C 1914P 10m H L 1
1.5u H
10m H
L 2
1.2H
10m H
L 3
1.2H
R 11
200
C2=1pF/FSF=1pFPFX2.8=2.8PF
C3=33PF/FSF=33PFX2.8=92.4PF
C4=5.6PF/FSF=5.6PFX2.8=15.68PF
C5=22PF/FSF=22PFX2.8=13.16PF
C6=4.7PF/FSF=4.7PFX2.8=13.94PF
C7=22PF/FSF=22PFX2.8=61.6PF
该滤波器对组件值要求不高，可使用10%误差的电感和5%电容即可。

将上述元器件取为标称值，则
Ll=1.5uH;L2=1.2uH;L3=1.2uH;
Cl=56pF;C2=2.7pF;C3=100PF;C4=16PF;C5=13PF;C6=14PF;C7=56PF。

4.5 供电模块
在电路中并没有自带+5V稳压电源模块，为了减小线路板的面积，节约制作成本，因此，用USB代替系统供电，这样不仅可以减少线路板的使用面积，而且USB供电也比较稳定，所受干扰也比较小。

另外，电路中还留出了+5V电源的接口，这样可以方便其它+5V 电源的接入。

电路如下图所示：
图4-5 供电模块电路图
4.6 通信模块
由于所用的单片机为LQFP封装，所以在下载程序的时候，本电路中使用了串口下载，因为计算机上的电平为232电平，而本电路中所用的是TTL电平，所以在进行通信时需要一电平转换电路，电路中使用MAX232芯片及其电容构成一个转换电路，如下图所示：
图4-6 通信模块电路图
4.7 4*4键盘输入模块
由于STC89C51芯片中，I/O口内置上拉电阻，所以在制作键盘模块时可以不加电阻。

本模块包括16个键位，用来选择波形和调节类型，调节所选波形的类型参数。

确认输出和返回主菜单。

键盘电路如下图：
图4-7 键盘输入模块电路图
2009级电子信息工程专业集成电路原理及应用课程设计5.系统电路设计
整体原理图：
图5-1 系统整体电路图
6.系统使用操作说明
实物的使用主要是通过按键进行操作的，本电路中共设置了5个独立式键盘，分别为S1（功能键）、S2（上切键）、S3（下切键）、S4（加号键）、S5（减号键）。

程序下载之后，给系统上电，液晶上面便显示三种模式状态，分别为定频模式、扫频模式、跳频模式，光标默认在定频模式上闪烁，可通过S2、S3进行上下选择，当光标停留在哪个位置时，按下功能键S1即可进入相应的模式。

另外，在每个模式界面上都设有上下模式选择按钮，默认情况下，光标都在上模式按钮上闪烁，此时，可通过S2、S3来选择光标闪烁的位置。

1、定频模式
所谓定频模式，就是在输出频率范围内设定任意一个频率值，即可输出相应的频率；在定频模式中主要有步进值的设定和输出频率的设定，在对输出频率设定时，可先设定一
2009级电子信息工程专业集成电路原理及应用课程设计下步进值，这样有助于快速设定相应频率值的大小；例如设定一个1.5MHz的频率，在初始界面下，先通过S2选择光标到设定步进值的位置，然后通过S4选择步进值为1MHz，再把光标跳到设定频率的位置，按下S4把频率加到1MHz，按下S3把光标返回到设定步进值的位置，按下S5把步进值减小为100KHz，按下S2再次把光标跳到设定频率的位置，按下S4继续增加所设定的频率值，一直加到1.5MHz，最后按下功能键S1，即可输出相应的频率。

2、扫频模式
所谓扫频模式，就是在设定的初始、终止频率范围内，按照所设定的时间和增量循环输出相应的频率；在扫频模式中，主要设有初始频率、终止频率以及扫描时间，除了这些还有步进值和扫频增量的设定，由于液晶界面大小有限，所以把这两个放在另一个界面上，在扫频初始界面上有一个中间按钮，可通过这个中间按钮进入次界面，操作的方法是当光标在这个按钮上闪烁时，按下S1即可进入，返回时也是采用这种方法，对于扫频界面上的设定和定频界面上设定的方法一样，可先设定步进值和扫频增量，然后再设定初始频率和终止频率，最后设置一下扫描时间，并按下S1即可进行扫频。

3、跳频模式
所谓跳频，就是在一定的输出频率范围内，按照一定的方式，输出不同的频率；在跳频界面上，设有跳频增量和跳频时间间隔，其对应的操作和上面的一样，最后在设定跳频间隔时，按下S1即可进行跳频输出。

注：在扫频和跳频模式中，最后按下S1后，其他按键就被屏蔽了，再次按下S1时即可恢复，与此同时，扫频与跳频也就终止了。

在定频模式中没有，只有切换到其他模式时，结束定频输出。

7.总结
通过本次课程设计我们认识到自己的在学习上的严重不足，加深了对单片机原理及其接口技术这一课程的更深入的了解，通过查找书本、上网查找资料、与同学探讨，筛选出对自己有用的信息，在整个过程我们真正学到了课堂上没有领悟以及没有学到的知识。

此次课程设计让我们深入懂得了本课程知识在实际中的灵活运用，我们将继续好好学习本课程，努力掌握更多的有用的知识，同时我们也认识到设计知识的不容易和自己各项能力的欠缺。

我们会在以后的学习中更加注意基础知识的巩固和动手能力的应用，在实践中培养兴趣、巩固知识。

2009级电子信息工程专业集成电路原理及应用课程设计此外，随着集成电路和计算机技术的迅速发展，使电子仪器的整体水平发生巨大变化，传统的仪器逐步的被智能仪器所取代。

智能仪器的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能仪器的发展。

而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。

传感器好比人体“五官”的工程模拟物，它是一种能将特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置本次课设中的半桥电子秤就是在以上仪器的基础上设计而成的。

因此，只有充分了解有关智能仪器、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能达到要求。

参考文献
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The signal generator based on DDS
Abstract This design to three main modules, master control module, signal producing module and LCD module. AT89S52 SCM as the controller, the control AD9835 again through
LCD12864 DDS chip shows that the output signal information, can complete the digital quantity input to the analog output conversion, and then the op-amp adjust voltage amplitude, produce 0 Hz ~ 15 MHz sine wave, triangle wave and square wave, and finally by the display on the LCD panel.
Key words AT89S52 devices; AD9851; LCD12864
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