基于单片机dds信号发生器设计

基于单片机dds信号发生器设计内容摘要：

、幅度都能由计算机自动调节的信号源。 刚好可通过采用 D/A 转换芯片构成的可控信号源，产生正弦波、调频波、调幅波及方波等，并且其信号的频率和幅度可由微机来实现控制，调节非常方便。 另外随着 21 世纪的到来，人类正在跨入信息时代。 现代通信系统的发展方向是功能更强，体积更小，速度更快，功耗更低。 所以今天无论是民用的移动电话、程控交换机、集群电台、 广播发射机和调制解调器 ,还是军用的雷达设备、图形处理仪器、遥控遥测设备、加密通信机中 ,都已广泛地使用大规模可编程器件。 由于数字技术在处理和传输信息方面的各种优点，数字技术和数字集成电路的使用已经成为构成现代电子系统的重要标志。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 2 页 课题研究的目的和意义 信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。 随着数字信号处理和集成电路技术的发展，直接数字频率合成（ DDS）的应用也越来越广泛。 因此本设计介绍了一种由单片机控制， D/A 转换模 拟实现 DDS 功能，可产生频率和幅度可调的波形发生器的方法。 单片机是实现各种控制策略和算法的载体。 波形发生器也可运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波相位、频率和幅值可调的信号。 信号的频率、相位可通过键盘输入并显示。 与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，成本低。 国内外的研究状况 波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。 目前，市场上常见的波形发生器 多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。 信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用 555 振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。 但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。 而函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震 动激励、通讯和仪器仪表领域。 在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。 这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点。 在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、 A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。 这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 3 页 第 2 章 信号发生器的方案设计 2 系统设计 方案设计 利用 AT89C51 单片机采用程序设计方法产生正弦波、矩形波、锯齿波三种波形，在通过 D/A 转换器 DAC0832 将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来，通过键盘来控制三种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。 设计要求 （ 1）利用单片机采用软件设计方法产生三种波形 （ 2）可通过键盘选择波形 （ 3）需显 示波形的种类以及频率 器件选择 D/A，输出三种波形。 单片机是一种高性能 8 位单片微型计算机。 它把构成计算机的中央处理器 CPU、存储器、寄存器、 I/O 接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。 芯片是 CMOS 工艺制造的 8 位 D/A 转换器，属于 8 位电流输出型 D/A转换器。 当单片机把一个数据写入 DAC 寄存器时， DAC0832 的输出模拟电压信号随之对应变化。 利用 D/A 转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等 以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。 总体系统设计 该系统采用单片机作为数据处理及控制核心，由单片机完成人机界面、系统控制、信号的采集分析以及信号的处理和变换，采用按键输入，利用液晶显示电路输出显示的方案。 将设计任务分解为按键电路、液晶显示电路等模块。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 4 页 图为系统总体框图 总体方框图 21 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 5 页 第 3 章 硬件的实现及单元电路的设计 单片机最小系统的设计 AT89C51 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单、可靠。 用 AT89C51 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图 AT89C51 单片机最小系统所示。 由于集成度的限制，最小应用系统只能用作小型的控制单元。 其应用特点： （ 1） 有可供用户使用的大量 I/O 口线 （ 2） 内部存储器容量有限 （ 3） 应用系统开发具有特殊性 标准的 51 为 8K 程序空间， 128 字节的 RAM， 32 条端口， 5 个中断， 2 个定时 /计数器， 12 个时钟周期执行一条基本指令，最长的除法为 48 个周期。 52 为 8K 程序空间， 256 字节的 RAM， 32 条端口， 6 个中断， 3 个定时 /计数器。 单片机最小系统 31 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 6 页 D/A 转换电路设计 DAC0832 是 CMOS 工艺制造的 8 位 D/A 转换器，属于 8 位电流输出型 D/A 转换器，转换时间为 1us，片内带输入数字锁存器。 DAC0832 与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据写入 DAC 寄存器时， DAC0832 的输出模拟电压信号随之对应变化。 利用 D/A 转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规 则波形。 主要性能： （ 1）输入的数字量为 8 位； （ 2）采用 CMOS 工艺，所有引脚的逻辑电平与 TTL 兼容； （ 3）数据输入可以采用双缓冲、单缓冲和直通方式； （ 4）转换时间： 1us； （ 5）精度： 1LSB； （ 6）分辨率： 8 位； （ 7）单一电源： 5— 15V，功耗 20mw； （ 8）参考电压： 10— +10V； DAC0832 内部结构资料 :芯片内有两级输入寄存器，使 DAC0832 具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要 (如要求多路 D/A 异步输入、同步转换等 )。 D/A 转换结果采用电流形式输出。 要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。 运放的反馈电阻可通过 RFB 端引用片内固有电阻，还可以外接。 该片逻辑输入满足 TTL 电压电平范围，可直接与 TTL 电路或微机电路相接，下面是芯片电路原理图 DAC0832 芯片原理 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 7 页 图 32 (1) DI7～ DI0： 8 位的数据输入端， DI7 为最高位。 (2) IOUT1：模拟电流输出端 1，当 DAC 寄存器中数据 全为 1 时，输出电流最大，当 DAC 寄存器中数据全为 0 时，输出电流为 0。 (3) IOUT2：模拟电流输出端 2， IOUT2 与 IOUT1 的和为一个常数，即 IOUT1＋IOUT2＝常数。 (4) RFB：反馈电阻引出端， DAC0832 内部已经有反馈电阻，所以 RFB 端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。 (5) VREF：参考 基准 电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定 0 至 255 的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度， VREF 范围为 (+10～ 10)V。 VREF 端与 D/A 内部 T 形电阻网络相连。 (6) Vcc：芯片供电电压，范围为 (+5~ 15)V。 (7) AGND：模拟量地，即模拟电路接地端。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 8 页 (8) DGND：数字量地。 (9) CS：片选信号（输入），低电平有效。 (10) XFER：数据传送控制信号（输入），低电平有效。 (11)WR1：第一写信号（输入），低电平有效。 (12)WR2：第二写信号（输入），低电平有效。 当 WR2 和 XFER 同时有效时， 8 位 DAC 寄存器端为高电平“ 1”，此时 DAC 寄存器的输出端 Q 跟随输入端 D 也就是输入寄存器 Q 端的电平变化；反之，当端为低电平“ 0”时，第一级 8 位输入寄存器 Q 端的状态则锁存到第二级 8 位 DAC 寄存器中，以便第三级 8 位 DAC 转换器进行 D/A 转换。 一般情况下为了简化接口电路，可以把和直接接地，使第二级 8 位 DAC 寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级 8 位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。 特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方。 制作低频信号发生器有许多方案：主要有单缓冲方式，双缓冲方式和直通方式。 单缓冲方式具有适用于只有一路模拟信号输出或几路模拟 信号非同步输出的情形的优点，但是电路线路连接比较简单。 而双缓冲方式适用于在需要同时输出几路模拟信号的场合，每一路模拟量输出需一片 DAC0832 芯片，构成多个 DAC0832 同步输出电路，程序简单化，但是电路线路连接比较复杂。 根据以上分析，我们的课题选择了单缓冲方式使用方便，程序简单，易操作。 DAC0832 主要是用于波形的数据的传送，是本题目电路中的主要芯片。 运算放大电路 OP07 的功能介绍： OP07 芯片是一种高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大，如果使用双电源，能达到最好的放 大效果下面介绍一下他的引脚图资料。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 9 页 图 33 （ 1） 低的输入噪声电压幅度 — VPP（ ~10Hz） （ 2） 极低的输入失调电压 — 10μ v （ 3） 极低的输入失调电压温漂 — V/℃ （ 4） 具有长期的稳定性 — V/MO （ 5） 低的输入偏置电流 — 177。 1nA （ 6） 搞的共模抑止比 — 126dB （ 7） 宽的共模抑止电压范围 — 177。 14v （ 8） 宽的电源电压范围 — 177。 3V~177。 22V （ 9） 可替代 72 108A、 74 AD510 等电路 OP07 应用介绍 OP07 搞精度运放具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳 定等特点。 广泛应用于稳定积分、比较器，密绝对值电路、及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工的应用。 可和uA741,uA709,LM301,LM308,LF356,OP07,OP37， max427 这些运放来直接代换。 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 10 页 液晶屏 1602 显示部分 液晶屏 1602 的简要概述 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 字符型液晶模块是一种用 5 7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为 1 行 16 个字、 2 行 16个字、 2 行 20 个字等等。 字 符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。 之所以称字符型液晶显示模块是因为其液晶显示器件的电极图形是由若干个 5 8或 5 11 点阵块组成的字符块集。 每一个字符块是一个字符位，每一位都可以显示一个字符，字符位之间空有一个点距的间隔起着字符间距和行距的作用，这是其一；其二是这类模块使用的是专用于字符显示控制与驱动的 IC 芯片。 这两种因素确定了这类模块的应用范围仅局限于字符而显示不了图形，所以称其为字符型液晶显示模块。 字符型液晶显示驱动控制器广泛应用 于字符型液晶显示模块上。 目前最常用的字符型液晶显示驱动控制器是 HD44780U，也出现使用 HD667O1 或 HD66702 等字符型液晶显示驱动控制器单片控制的字符型液晶显示模块。 液晶显示驱动器为 HD44100 及其替代品。 字符型液晶显示模块在世界上是比较通用的，而且接口格式也是比较统一的，其主要原因可能是各制造商所采用的模块控制器都是 HD44780U 及其兼容品，不管它的显示屏的尺寸如何，它的操作指令及其形成的模块接口信号定义都是兼容的。 所以会使用一种字符型液晶显示模块，就会通晓所有的字符型液晶显示模块。 液晶屏 1602 的使用 液晶 1602 有三条控制线， RS/数据命令端， RW/读写选择端、 EN/使能端，一个 8位的数据端口。 常用指令说明如表 31： 表 31 常用指令说明 湖南铁道职业技术学院学生毕业设计（论文） 第 11 页 指令名称 控制信号 控制代码 D/I R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清屏 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 光标复位 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 输入方式设置 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 显示状态设置 0 0 0 0 0 0 1 D C B 光标画面滚动 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 工作方式设置 0 0 0 0。