基于dds技术的信号发生器的设计与实现_毕业设计(编辑修改稿)

基于dds技术的信号发生器的设计与实现_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

值包络为辛格函数。 因此，为了取出主频 f0，必须在 D/A 转换器的输出端接入截止频率为 fc/2 的低通滤波器。 DDS 数学原理 设有一频率为 f 的余弦信号 )(tS ： )2cos()( ftS t  （ 21） 现在以采样频率 cf 对 )(tS 进行采样，得到的离散序列为： )2cos ()( fnTS  2,1,0n （ 22） 其中cc fT1 为采样周期。 对应的相位序列为 fnT 2)(  ,2,1,0n （ 23） 从上式可以看出相位 序列呈线性，即相邻的样值之间的相位增量是一个常数，图 22 相位 —幅度变换原理图 (地址 ) ROM 波形存储器 相位量化序列 波形幅度量化序列 （数据） 唐 山 学 院 毕 业 设 计 6 而且这个常数仅与信号的频率 f 有关，相位增量为： fT2)(  （ 24） 因为信号频率 f 与采样频率 cf 之间有以下关系： MKffc （ 25） 其中 K 与 M 为两个正整数，所以相位的增量也可以完成： MKn  2)(  （ 26） 由上式可知，若将 2 的相位均匀的分为 M 等份，那么频率为 MKf 2 的余弦信号以频率 cf 采样后，它的量化序列的样品之间的量化相位增量为一个不变值 K。 根据上述原理可以构造一个不变量 K 为量化相位增量的量化序列： nKn )( 2,1,0n （ 27） 然后完成从 )(n 到另一个序列 )(nS 的映射，由 )(n 构造序列： )2c o s (2c o s)(2c o s)(cf n TKnKM nnS   （ 28） 公式（ 28）是连续信号 )(tS 经采样频率为 cf 采样后的离散时间序列，根据采样定理，当21 MKffc时， )(nS 经过低通滤波器平滑后，可唯一恢复出 )(tS。 可见，通过上述变换不变量 K 将唯一的确定一个单频率模拟余弦信号 )(tS ： M tKftS c2cos)(  （ 29） 该信号的频率为： MKff c0 （ 210） 公式（ 210）就是直接数字频率合成（ DDS）的方程式，在实际的 DDS 中 ，一般取 NM 2 ，于是 DDS 方程就可以写成： 唐 山 学 院 毕 业 设 计 7 NcKff 20  （ 211） 根据公式（ 2－ 11）可知，要得到不同的频率只要通过改变 K 的具体数值就可以了，而且还可以得到 DDS 的最小频率分辨率（最小频率间隔）为当 1K 时的输出频率： Ncresff 2 （ 212） 可见当参考频率 cf 始终一定时，其分辨率由相位累加器的位数 N 决定，若取MHzfc 100 ， 32N ，则 Hzfres  ，即分辨率可以达到 ，这也是最低的合成频率，输出频率的高精度 DDS 的一大优点。 由奈奎斯特准则可知 ，允许输出的最高频率 2max co ff ，即 12  NK ，但实际上在应用中受到低通滤波器的限制，通常 2max co ff 。 由此可见 DDS 的工作频率带较宽，可以合成从直流到 的频率信号，同时它的频率稳定度高 [3]。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 8 3 总体设计方案 系统设计原理 单片机 STC89C52 是整个系统关键部分，通过对键盘进行扫描读入信号控制信息，经转换后输出到 DDS 芯片模块。 本文提出的采用 DDS 作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案， 根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了美国 A/D 公司的 AD9850 芯片，并通过单片机程序控制和处理 AD9850 的 40 位控制字， 从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。 本系统主要由单片机、 DDS 直接频率信号合成器、 AD 转换模块、数字衰减电路、由 AD9850 模块输出波形。 信号波形的参数信息经 STC89C52 控制的 LCD1602显示。 总体设计框图 本设计采用单片机为核心处理器，利用键 盘输入信号的参数，控制 DDS 的AD9850 模块产生信号，信号的参数在 LCD1602 上显示，完成正弦信号和方波信号的输出，用示波器输出验证。 系统构成如下图 31 所示。 图 31 系统框图 由系统框图可知，键盘控制频率的输入，键盘输入的数据通过单片机的控制，在 LCD 上显示其频率、波形类型和幅度大小，控制 AD9850 输出波形，通过电位器调节信号的幅度和方波的占空比。 LCD1602 键盘 单片机 AD9850 低通滤波器 信号输出 唐 山 学 院 毕 业 设 计 9 4 系统硬件模块的组成 单片机控制模块 主控电路中，以单片机为主体，通过分析键盘输入的数字值，对 AD9850 写入相应的控制字。 它 是系统的大脑。 单片机（ Micro Controller，又称微控制器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机算计，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存贮器 RAM、程序存贮器 ROM、定时器 /计数器和多种 I/O 接口电路。 STC89C52 主要性能 单片机 STC89C52 的主要性能分别为：与 MCS51 单片机产品兼容 ； 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器； 1000 次擦写周期；全静态操作： 0Hz～ 33Hz、三级加密程序存储器、 32 个可编程 I/O 口线、三个 16 位定时器 /计数器、八个中断源、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。 STC89C52 功能特性描述 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用宏晶公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案 [2]。 STC89C52 具有以下标准功能： 8k字节 Flash、 256 字节 RAM、 32 位 I/O 口线、看门狗定时器、 2 个数据指针、三个 16 位定时器 /计数器、一个 6 向量 2 级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。 另外 ， STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、 定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下个中断或硬件复位为止 [4]。 STC89C52 的引脚结构如图： 唐 山 学 院 毕 业 设 计 10 P0 口： P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。 作为输出口，每位能驱动 8个 TTL逻辑电平。 对 P0 端口写 “1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。 在这种模式下 ， P0 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时， P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。 程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL逻辑电平。 对 P1 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉 高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。 此外， 和 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入 （ ）和时器 /计数器 2 的触发输入 （ ） ，在 flash编程和校验时 ， P1 口接收低 8位地址字节。 P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器。 能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P2 端口写 “1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出 电流。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（ 例如执行 MOVX @DPTR） 时， P2 口送出高八位地址。 在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉发送 1。 在使用 8 位地址 （ 如 MOVX @RI） 访问外部数据存储器时 ， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 随着计算机技术的高速发展，单片机以其自身的特点，已广泛应用于智能仪器、工业控制、家用电器、电子玩具等各个领域。 图 41 STC89C52 单片机的引脚图 1 40 VCC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 15 14 16 17 19 18 20 39 38 37 36 35 33 34 31 32 30 29 28 26 27 25 24 23 22 21 RST /RXD XTAL2 GND XTAL1 EX_LVD/RST2 ALE NA STC89C52 唐 山 学 院 毕 业 设 计 11 时钟电路 图 42 时钟电路 XTAL1 是片内振荡器的反相放大器 输入端， XTAL2 则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到 XTAL1，而 XTAL2 悬空。 内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为 ，时钟频率就 约 为 6MHz。 晶振的频率可以在 1MHz24MHz内选择。 电容取 30PF 左右。 STC89C52 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，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者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。 片外石英晶体或者陶瓷谐振器及电容 C C2 接在放大器的反馈回路 中构成并联振荡电路。 对外接电容 C C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里采用电容 60pF，晶振采用。 复位电路 AT89C51 的外部复位电路有上电自动复位和手动按键复位。 上电复位电容充电来实现。 手动按键复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位。 按键电平复位电路是在普通 RC复位电路的基础上接一个有下拉电阻 10K、上拉电容 10μf接 VCC,电源由开关经串接的 1K 限流电阻至复位脚（和上拉电容并联），上拉 电容支路负责在“上电”瞬间实施复位；开关通过 1K 上拉电阻和 10K 下拉电阻分压器，保证对单片机实施按键电平复位。 电路图如下图所示： 唐 山 学 院 毕 业 设 计 12 图 43 复位电路 AD9850 模块 AD9850 简介 随着数字技术的飞速发展 ,用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术 ,即直接数字频率合成 (DDS)技术异军突起。 美国 AD 公司推出的高集成度频率合成器 AD9850 便是采用 DDS 技术的典型产品之一。 AD9850 采用先进的 CMOS工艺 ,其功耗在 155mW,扩展工业级温度范围为－ 40～ 80℃ ,采用 28脚 SSOP 表面封装形式。 AD9850 的引脚排列如图 所示 ,图 为其组成框图。 中层虚线内是一个完整的可编程 DDS 系统 ,外层虚线内包含了 AD9850 的主。