正弦信号发生器的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)

正弦信号发生器的设计_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

i（理论值）。 但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到 40%Fi.  频率转换时间短 DDS 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得 DDS 的频率转换时间极短。 事实上，在 DDS 的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。 因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间， 也就是一个时钟周期的时间。 时钟频率越高，转换时间越短。 DDS的频率转换时间可达到纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。  频率分辨率极高 若时钟 Fi 的频率不变， DDS 的频率分辨率就由相位累加器的位数 N决定。 只要增加相位累加器的位数 N即可获得任意小的频率分辨率。 目前，大多数 DDS 的分辨率在 1Hz数量级，许多小于 1mHz 甚至更小。  相位变化连续 改变 DDS 输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。  输出 波形的灵活性 只要在 DDS内部加上相应控制入调频控制 FM、调相控制 PM和调幅控制 AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生 FSK、 PSK、 ASK 和 MSK等信号。 另外，只要在 DDS 的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任务的波形。 当 DDS 的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可以得到正交的两路输出。  其他优点 由于 DDS 中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 DDS也具有局限性，主要表现在：  输出频带范围有限 中国地质大学（武汉）学士学位论文 6 由于 DDS内部 DAC和波形存储器（ ROM）的工作速度限制，使得 DDS 输出的最高频有限。 目前市场上采用 CMOS、 TTL、 ECL 工艺制作的 DDS 工习片，工作频率一般在几十 MHz 至 400MHz 左右。 采用 GaAs 工艺的 DDS 芯片工作频率可达 2GHz 左右。  输出杂散大 由于 DDS 采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。 其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和 DAC非理想特性造成的杂散。 167。 DDS的相关计算 由 DDS的工作原理 ，我们可以总结出以下几个公式，各符号的定义为： Fi：基准频率； Fo： DDS输出频率； M：频率控制字； N：相位累加器位数； K： DDS每个输出周期的抽样点数； Fmin： DDS最小输出频率（频率分辨率）； Fmax： DDS最大输出频率。 Fo = (M/2N)*Fi (1) Fmin = (1/2N)*Fi (2) Fmax = (Mmax/2N)*Fi (3) K = 2N/M (4) 由此可以看出，当 N比较大时，对于很大范围内的 M值， DDS系统都可以在一个周期内输出足够的点，保证输出波形失真很小。 中国地质大学（武汉）学士学位论文 7 第三 章 硬件电路设计 167。 对一个系统来说，系统结构的好坏是非常重要的。 我本着实现所有要求的功能的基础上，简化系统结构，这样可以降低成本，也可以减少一些电路本身的干扰。 对于本系统我采用了四个模块，即：键盘模 块、控制模块、显示模块、正弦信号发生模块。 各个模块之间的关系如 图。 图 系统总框图 根据系统总框图可知 CPU是用来处理键盘传来的按键信号，并且控制显示模块和正弦信号产生模块的正常工作的。 本系统的核心是正弦信号产生模块，因它是产生正弦信号的中心，其它器件只是让整个系统更加完善。 167。 方案一：利用单片机查询正弦表的方法来产生正弦信号。 此方法的优点是电路简单，易实现程控。 缺点是输出信号频率范围比较窄，而且输出信号的波形好坏和单片机查询的正弦表有密切关系，既在正弦波的一个周期内所查的正弦表次数越多，则正弦波的波形越好。 但是单片机的负担也变大了，计算量将明显提高，则 单片机的大部分资源被输出正弦波的工作所占用。 方案二：利用模拟电路知识中的振荡电路的方法来产生正弦信号。 此方法的优点是输出信号频率范围比较宽。 缺点是电路的抗干扰能力比较差，不易实现程控，当输出频率比较高时电路设计比较困难。 方案三：利用 DDS 技术来产生正弦信号。 此方法的优点是输出信号的频率范围比较宽，电路比较简单，易于实现程控。 缺点是 DDS器件价格有点高 ，而且多数是帖片元件， 键 盘 正弦信号产生 显 示 CPU 中国地质大学（武汉）学士学位论文 8 这对于焊接工艺要求比较高。 为了达到更好的效果，本次设计我采用 DDS 技术。 167。 方案论证 按照系统功能要求，决定 CPU 模块采用 AT 89S52 单片机，正弦信号产生模块采用AD8951，显示模块采用 LCD，控制模块采用三个独立按键。 正弦信号发生器系统设计方案框图如图。 正弦信号发生器系统硬件电路由单片机、 AD985 LCD 显示电路和按键 电路等组成，它的硬件电路如附录所示。 图 3. 3 设计方案框图 167。 单片机最小系统模块 AT89S52 单片机简介 单片微机 (SingleChip Microputer)简称为单片机。 它在一块芯片上集中成了中央处理 单元 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、定时 /计数和多功能输入 /输出 I/O 口，如并行口 I/O、串行口 I/O 和转换 A/D 等。 就其组成而言，一块单片机就是一台计算机。 其典型结构如图。 由于它具有体积小、功能强和价格便宜等优点，因而被广泛地应用于产品智能化和工业控制自动化上。 AT89S52 键盘 LCD显示 AD9851 中国地质大学（武汉）学士学位论文 9 时 钟 电 路总 线 控 制C P UR O M / E P R O M / F L A S H4 K 字 节R A M 1 2 8 字 节S F R 2 1 个定 时 / 计 数 器2 个中 断 系 统5 中 断 源 、 2 优 先 级串 行 口全 双 工 2 个并 行 口4 个R S TE A A L E P S E NX T A L 2 X T A L 1P 0 P 1 P 2 P 3V C CV S S 图 单片机典型 内部组成原理图 单片机特点： a)单片机体积小巧、使用灵活、成本低，易于真正产品化。 组装各种智能式控制设备和仪器，能做到机电仪一体化。 b)面向控制。 能有针对性地解决各种从简单到复杂的各类控制 任务，因而能获得最佳的性能价格比。 c)抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。 这是其它微机集中无法比拟的。 d)可以方便的实现多机、分布式的集散控制，使整个控制系统的效率大大地提高。 e)单片机应用产品的研制周期短，所开发出来的样机就是以后批量生产的产品，可以避免不必要的二次开发过程。 单片机应用： a)工业方面：电机控制，工业机器人，过程控制，智能传感器，机电仪一体化等。 b)仪器仪表方面：智能仪器，医疗仪器，色谱仪，示波器等。 c)家用电器：高级电子玩具，微波灶，洗衣机，录像机 等。 d)电讯方面：调制解调器，智能通讯设备等。 e)导航与控制方面：导弹控制，鱼雷制导控制，智能武器装置，航天导航系统等。 f)数据处理方面：图形终端，彩色与黑白复印机，温式硬盘驱动器，磁带机，打印机等。 g)汽车方面：点火控制，变速器控制，防滑刹车，排气控制等。 MCS51系列单片机在我国得到了广泛的应用，是单片机的主流系列，软硬件应用设计资料丰富齐全。 为了提高指令的执行速度和效率，采用了面向控制的结构和指令系统的独立 CPU，即选择 Atmel公司的 AT89S52单片机。 AT89S52是低功耗，高性能 ，采用 CMOS 工艺的 8位单片机。 其片内具有 8KB的可在线编程的 Flash存储器。 该单片机采用了 ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术，与工业标准型 AT89S52单片机的握住系统和引脚完全兼容；片内的 Flash存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储器编程器；通用的 8位 CPU与在线可编程 Flash集成在一块芯片上，从而使 AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景 [1]。 中国地质大学（武汉）学士学位论文 10 AT89S52单片机具有如下特性 [16]：  片内存储器包含 8KB 的 Flash，可在线编程，擦写次数不少于 1000 次；  具有 256 字节的片内 RAM；  具有可编程的 32根 I/O 口线（ P0、 P P2 和 P3 口）；  具有 3个可编程定时器 T0， T1 和 T2；  内含 2个数据指针 DPTR0 和 DPTR1；  中断系统是具有 8个中断源、 6个中断矢量、 2级优先权的中断结构；  串行通信口是 1个全双工的 UART串行口；  2 种低功耗节电工作方式为空闲模式和掉电模式；  具有 3级程序锁定位；  含有 1个看门狗定时器；  具有断电标志 POF；  AT89S52的工作电压为 ～ ；  全静态工作模式为 0～ 3MHz（ AT89S52）和 0～ 16MHz（ AT89LS52） ；  与 MCS51 产品完全兼容。 单片机模块电路图 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST/VPD91716121314151234567839383736353433322122232425262728PSEN29ALE/PROG301110Vcc40Gnd20U1AT89S52VCCGNDVCCXTAL1XTAL2P00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P27RSTD7WCLKFP_UPRESETS3 S4GND GND1 2P3 Header 21 2P2 Header 2VCC GND 图 167。 AD9851及外围模块 中国地质大学（武汉）学士学位论文 11 AD9851 芯片简介 AD9851是在 AD9850的基础上，做了一些改进以后生成的具有新功能的 DDS芯片。 AD9851 相对于 AD9850 的内部结构，只是多了一个 6 倍参考时钟倍乘器，当系统时钟为180mhz时，在参考时钟输入端，只需输入 30mhz 的参考时钟 即可。 AD9851是由数据输入寄存器、频率 /相位寄存器、具有 6倍参考时钟倍乘器的 DDS芯片、 10位的模 /数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。 其中具有 6倍参考时钟倍乘器的 DDS芯片是由 32 位相位累加器、正弦函数功能查找表、 D/A变换器以及低通滤波器集成到一起。 这个高速 DDS芯片时钟频率可以达到 180mhz，输出频率可以达到 70mhz，分辨率为 [9]。 其功能方框图如图。 图 功能方框图 引脚功能描述 引脚 图如图 D0– D7:8位数据输入 . 数据端口，用于装载 32位的频率控制字和 8位相位控制字。 D7为最高位 5/PGND:6 REFCLK倍乘器接口 6/PVCC:6 REFCLK 倍乘器正向供电电压引脚 7/W_CLK:数据加载时钟 .上升沿加载并行或串行频率 /相位控制字异步输入到 40bit 输入寄存器 8/FQ_UD:频率更新 .上升沿异步加载 40 位数据到内部数据寄存器对 DDS 核心起作用 . 中国地质大学（武汉）学士学位论文 12 FQ_UD 作用当输入寄存器只能容纳一位有效的数据。 9/REFCLOCK: 参考时钟输入 . CMOS/TTL电平脉冲 ,直接或通过 6 REFCLK 倍乘器 . 直接模式 ,也是系统时钟 .如果 6 REFCLK 倍乘器采用 ,倍乘器输出也是系统时钟。 系统时钟上升沿开始工作。 10,19/AGND:模拟地 (DAC and Comparator). 11,18/AVDD:模拟电路的正向供电电压 (DAC 和比较器 , Pin 18)和带隙电压参考 Pin 11. 12/RSET: DAC外部复位连接 — kΩ电阻接地 10 MA 电流输出 .这使得 DAC的 IOUT and IOUTB满量程输出成为可能 . RSET = 13/VOUTN:内部比较器负 向输出端 14/VOUTP:内部比较器正 向输出端 15/VINN :内部比较器的负向输入端。 16/VINP :内部比较器的正向输入端。 17/DACBP:DAC 旁路连接 .这是 DAC旁路连接端连接通常为 NC(无连接 )以便有很好的无杂散性能。 20/IOUTB:互补 DAC 输出具有和 IOUT有相同的参数，除去 IOUTB = (满量程输出 IOUT). 输出负载应该等于 IOUT最好的无杂散性能。