1、摘 要在數(shù)字通信中有各種各樣的函數(shù)信號和非函數(shù)信號，這些信號都是由信號發(fā)生器產(chǎn)生的，這信號有很多波形，波形的重要參數(shù)幅值和頻率可以被調(diào)整，信號的使用多在電子電路設備、生產(chǎn)制造業(yè)和科學技術研究領域。該系統(tǒng)主要是利用單片機控制信號發(fā)生器產(chǎn)生波形，所以其中的主要模塊有單片機、直接數(shù)字式頻率合成器、電源電路和顯示模塊。通過編寫好程序輸入單片機，運行程序控制信號發(fā)生器，結(jié)合直接數(shù)字式頻率調(diào)整波形的頻率和振幅，合成器產(chǎn)生不同的波形，常見的波形有三角波、鋸齒波、方波、正余弦波。能夠調(diào)節(jié)的頻率為一千赫茲，調(diào)整波形的振幅從0到2.5V，操作方法是利用放大器對信號的振幅進行放大，放大后的范圍是原來的兩倍，合成器的

2、顯示部分由數(shù)碼管完成。【關鍵詞】：AD9833；89C52；DDS；信號發(fā)生器ABSTRACTKeywords:89C52; DDS converter; AD9833; signal generator;1緒 論1.1 課題研究背景在各類信號發(fā)生裝置中函數(shù)信號發(fā)生器是十分重要的一種，它可以生成一定周期的函數(shù)波形，典型的有以下幾種:正弦波、方波以及三角波等，相關頻率范圍也比較廣:微赫幾十兆赫茲不等。現(xiàn)如今，最主要的用途是為各種電磁電路實驗設計做信號源。上世紀中后期模擬電子技術是信號發(fā)生器主要使用技術，主要有以下兩部分構成:首先是模擬集成電路，其次是分立元件，這種結(jié)構相對繁瑣，并且在產(chǎn)生波形方面

3、受到嚴重限制，只能產(chǎn)生一些正弦波，方波和三角波等等。并且在對波形輸出的復讀過程中穩(wěn)定性不強，主要歸因于電路的漂移較大。模擬集成電路的缺點主要體現(xiàn)在體積大、價格昂貴、功耗大等方面。微處理器誕生于上世紀70年代。在不斷的發(fā)展中不斷的添加新的器件:首先是處理器，其次是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D），最后是數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A），這樣一來，信號發(fā)生器的功能便可在硬件與軟件方面得到擴大，以產(chǎn)生更加復雜多變的波形。在這一階段中，開發(fā)重點集中在軟件方面，DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)程序控制主要通過微處理器進行操作，從而完成對波形的生成。然而在此過程中會存在最大的缺陷便是輸出波形的頻率較低，主要歸因于CPU工作速度緩慢，想要對此

4、進行改變的最基本途徑是對硬件電路進行改進。現(xiàn)如今信息通信技術得到了飛速發(fā)展，并且電子技術在不斷完善中成效顯著，同時給我們的生活帶來了巨大改變。現(xiàn)如今單片機的應用越來越廣泛，同時為儀器設備智能化的發(fā)展起到了巨大的推動作用。和其余信號發(fā)生器相比它的主要優(yōu)點在于：首先是波形幅度得到有效地提升，再次是質(zhì)量得到改進，最后是頻率穩(wěn)定性得到改善，與此同時，也得益于單片機應用技術的不斷完善，同時也為以往的控制工作改進奠定了基礎。在儀器中采用單片機進行構造，可以實現(xiàn)高性能，高可靠性的目的，并且應用非常廣泛，在辦公自動化和智能儀表系統(tǒng)中運用非常普遍1。 1.2 研究內(nèi)容及意義該系統(tǒng)是利用單片機運行程序控制信號發(fā)生

5、器產(chǎn)生相應的波形，并調(diào)整波形的參數(shù)。設計的內(nèi)容主要是發(fā)生器的設計，編寫可以對波形信號調(diào)幅、調(diào)頻的程序并將編寫好的程序輸入單片機中。波形的產(chǎn)生是因為當單片機運行程序時，接收到外部的切換指令，單片機開始調(diào)用各種子程序來實現(xiàn)當下任務的中斷和對應波形的生成子程序，產(chǎn)生的波形再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器和放大器處理后再從發(fā)生器輸出。1 方案論證1.1單片機選擇與論證方案一：STC89C52單片機雖然參與運算的數(shù)據(jù)長度只有8位，但是它是高性能的微型計算機，它將所有的部件集成在一起。方案二：C8051F005單片機也是集成芯片，它所帶控制器內(nèi)核具有很強的適應能力，能與多種設備相互兼容。它能勝任數(shù)據(jù)采集和控制工作，因為

6、它比AT80S52單片機多了模擬部件和各種形式的數(shù)字外接設備。對比兩種方案的優(yōu)缺點進行方案選擇，第二套方案由于性能強勁，單片機內(nèi)部芯片電路結(jié)構復雜，電路設計和焊接難度都比方案一難、成本也要高，同時在控制方面也不如方案一的單片機容易控制，綜合分析決定使用STC89C52單片機。1.2 DDS選擇與論證 DDS選擇提供了三套方案，第一套使用八位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器；第二套使用直接數(shù)字式頻率合成器；第三套使用的是單片機自帶的基準源。方案論證：第一套方案基本滿足設計要求，但是考慮到輸出的效果不好，難以達到要求的精度，且波形不夠圓滑達不到理想狀態(tài)，所以不適合該系統(tǒng)的使用。 第二套方案輸出的波形精度較高，而且輸出

7、精度可控，輸出的信號頻率也可以很高，滿足使用要求。第三套方案雖然也可以實現(xiàn)高精度輸出信號，但是考慮到價格成本的因素，并且輸出信號的最大頻率不夠設計要求，不符合實際使用。對比三套方案的優(yōu)缺點和實際需要，最終采用第二套方案2。1.3 顯示模塊方案一：初步考慮數(shù)碼管作為顯示模塊，它的優(yōu)點是可以提供很高的亮度、低成本，缺點是結(jié)合該火災報警系統(tǒng)的實際情況，通過數(shù)碼管顯示眾多內(nèi)容會加大電路設計難度、也不符合節(jié)能設計的要求，因此放棄初選的方案。方案二：考慮到顯示內(nèi)容較多的因素可以采用點陣數(shù)碼管顯示器，該顯示器可以顯示復雜的內(nèi)容和文本，不過用于該系統(tǒng)又性能過剩，使得成本的浪費，所以也放棄了該方案。方案三：最后

8、想到折中的方案就是LCD1602液晶屏，這種顯示器的顯示內(nèi)容多，還可以通過組合擴大可視面積，具有一定的防干擾效果，簡單的使用方法還節(jié)省了軟件的資源。該方案在顯示要求上完全滿足系統(tǒng)的要求，同時電路設計也較簡單、還滿足節(jié)能設計的要求，最終采用。1.4、電源模塊的選取 電源模塊的選擇提供了兩套方案，第一套直接使用開關電源，第二套使用自己設計線性電源電路。方案優(yōu)缺點對比： 第一套方案的優(yōu)點在于用很小體積的電源模塊實現(xiàn)高效的電流源利用，而缺點是開關電源存在波紋電壓和電流過大的現(xiàn)象，從而不能實現(xiàn)高精度輸出的要求。第二套方案正好改善了第一套方案的缺點，通過自己設計制造可以使電源的紋波電壓不過大。該系統(tǒng)中需要

9、提供兩種電壓的電源，可以用線性電源提供所要的5伏和15 伏的輸出電壓。對比兩種方案的優(yōu)缺點，結(jié)合系統(tǒng)的電源要求，決定采用第二套方案。2硬件電路設計2.2 系統(tǒng)原理框圖簡介 根據(jù)系統(tǒng)的功能和實現(xiàn)原理，所以系統(tǒng)包含了單片機、直接數(shù)字式頻率合成器、按鍵、放大器、電源電路和顯示模塊。系統(tǒng)的電源要求為5伏，按鍵可以來切換發(fā)生器產(chǎn)生的波形類型，給出切換指令給單片機控制合成器來調(diào)整波形信號的幅值和頻率，然后輸出相應的波形。顯示模塊負責顯示波形的頻率和類型。2.3 電源電路設計圖5電源電路電源供電電路最主要的包含了直流線性穩(wěn)壓器，在圖2-3中表示了其的一般組成。供電電路的性能分析： 電源電壓首先經(jīng)過變壓器變壓

10、再經(jīng)過整流后輸出電壓U03。 而整流后的電壓值并不是恒等于U0，表示的是一個周期內(nèi)瞬時值的平均值大小，即按照波形的特點計算平均值 （公式二）計算整流電路中的二極管正向平均電流：該整流電路的特點是兩個整流二極管平均分掉了輸出電流，因此正向平均電流的大小為輸出電流的一半。即（公式三） 為了滿足電路的濾波和整流效果，對其整流二極管的選擇必須要用大容量的規(guī)格。原因在于，電路還沒有加入濾波電容器之前，整流二極管已經(jīng)有半個周期進入了在導通狀態(tài)下，在接入以后二極管的開合受到電容器的狀態(tài)控制，電容器不在充電時二極管閉合。考慮到二極管在實際工作時所處的狀態(tài)，為了延長其使用時間必須選擇其規(guī)格大于負載電流的2-3倍

11、4。電流在經(jīng)過整流和濾波操作后的電壓大小為UI，連接在輸入端與公共端之間，而輸出電壓為Uout。通常情況下，兩者的大小相差2-3V。 從圖2-2中可以發(fā)現(xiàn)，因為7815和7805兩端允許的電壓最大值不同，若直接相連，則兩端的電壓差為10V，從而產(chǎn)生過大的電流經(jīng)過，勢必會增加其功耗，甚至會燒壞設備，因此需要在兩者之間加一個穩(wěn)壓塊7809使7815輸出的電流加在7805上時兩端電壓差變?yōu)?V，降低其功耗5。電解電容是元器件中關鍵的一個結(jié)構，該部分的作用是調(diào)節(jié)線路中的電流，從而起到改善負載的作用。當采用長線路傳輸時，由于電感的效應會導致線路中產(chǎn)生較多的熱量，這時可以采取在線路中接入一個瓷片電容來對線

12、路進行保護。具體的線路布局如圖2-2所示： 一般來說，線路中的電壓需要穩(wěn)定在+15V，但是通常供給的電壓是達不到15V的，在實際的操作中經(jīng)常采用運算放大器來放大輸入的電壓。另一方面，實際中有時候也要求輸入的電壓為5V，當剛開始輸入線路的電壓為9V時，DDS數(shù)字芯片是無法正常工作的，此時需要經(jīng)過運算放大器來使輸入的電壓降低到5V。PCB布線時對于不同類型線路的布局有著嚴格的要求，總的來說數(shù)字線路和模擬線路之間不能存在線路上的干涉，布線的過程中為了盡可能減小不同線路 之間的影響，可以采取在兩種不同類型的線路之間接入0歐姆電阻。2.4 單片機最小系統(tǒng)設計根據(jù)此次課題的實際要求，本次采用型號為的單片機

13、，下面簡單介紹一下該型號單片機的特性。該型號單片機最大的特點就是可以在較低的電壓環(huán)境下運行，在運行的過程中可以同時進行8位的數(shù)據(jù)處理，而且支持多次對存儲器進行讀寫操作。C8051F005單片機也是集成芯片，它所帶控制器內(nèi)核具有很強的適應能力，能與多種設備相互兼容。它能勝任數(shù)據(jù)采集和控制工作，使得AT89C52型號的單片機為許多實際工程應用提供了高效可行的方案6。2.4.1 單片機主控電路由實驗原理圖可知，為了更好地反映輸出波形的變化狀態(tài)，需要在線路中接入四個LED指示燈來對其運行狀態(tài)進行指示。一般來說，單片機的P0端口需要與數(shù)碼管的接口相連接，從而控制LED指示燈可以正常發(fā)光。單片機的P2端口

14、與AD9833的輸入端連接，對輸出的波形進行控制。除此之外，線路中還有一個復位鍵RST。該型號單片機的控制電路的具體結(jié)構如圖2-6所示：2.4.2單片機最小系統(tǒng)組成單片機最小系統(tǒng)顧名思義即其可以進行工作的最基本系統(tǒng)，單片機的最小系統(tǒng)涵蓋了下列幾個模塊：4V-5.5V的數(shù)字電源，時鐘，復位。 CPU進入工作狀態(tài)時要有一個時鐘脈沖。有兩種產(chǎn)生時鐘脈沖的方式: 一是時鐘內(nèi)接法，即由單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖；二是時鐘外接法，也就是通過外部電路向其傳遞時鐘脈沖。同時為了讓其能在初始狀態(tài)下進行工作，就必須要進行復位。單片機的復位工作需要振蕩器來完成，復位的原理是通過高電平進行復位的，RST管腳完成工作需要至

15、少2個機器周期的高電平，事實上一般情況下都會超過兩個周期，考慮到復位的可靠，往往還需要再加兩個周期。在進行高電平復位時，必須保證RST和提供電源的VCC管腳的電平同步上升，否則，比如RST一直位于高電平情況下，那么單片機就會持續(xù)不斷的完成復位工作。復位方式：MCU的復位電路能夠劃分為上電和按鈕手動復位這兩種模式。在這一次的課題設計中所選用的是外部復位電路進行完成。在VCC上升時間小于1毫秒(),振蕩器啟動時間小于10毫秒。整個電路就會再次開啟微控制器。同時在復位過程中要在引腳上維持超過2個周期的高電平，才可以完成操作，指導恢復為低電平之后復位工作終止，而在復位按鍵被按下后這時的電容處于斷路狀態(tài)

16、，兩端構成一個閉合回路，電容進行放電，此時想要進行復位也是極為簡便的，只需把引腳和電源連接就能夠順利達成目的。不過要重點提及的是,若是復位電路里面的R、C的值設定不合理,導致復位的時長過久,單片機就會不斷的進行反復復位操作。2.5 DDS輸出設計本次實驗中使用到的DDS芯片的型號為AD9833，該型號單片機最大的特點就是可以在較低的電壓環(huán)境下運行，在運行的過程中可以同時進行8位的數(shù)據(jù)處理，而且支持多次對存儲器進行讀寫操作。C8051F005單片機也是集成芯片，它所帶控制器內(nèi)核具有很強的適應能力，能與多種設備相互兼容。實驗中主要用到三種類型的信號，分別是方波、正弦波以及三角波。 本次實驗中關鍵的

17、數(shù)據(jù)就是輸出信號的頻率和相位，在進行實驗的過程中可以先通過相關的軟件進行設定，這種方式的優(yōu)點是可以對輸出量進行實時調(diào)整。頻率寄存器的主要作用是將輸出信號的頻率特征臨時保存下來，一般來說，DSP的工作電壓不能低于2.3V，否則單片機中的部分元件可能因為電壓不足而導致數(shù)據(jù)的丟失。同時該型號單片機還具有休眠功能，當需要測量的信號全部得到輸出波形之后就不需要單片機在高功耗狀態(tài)下運行。2.5.1芯片簡介是ADI公司所制造的一種主流波形發(fā)生器，可以生成方波、正弦波等常見波形。的和的使能端E進行連接，而和讀寫選擇端R/W進行連接，P3.5和RS進行連接，在使能端啟動之后，兩端就會組成一個回路，電容進行放電，

18、此時想要進行復位也是極為簡便的，只需把引腳和電源連接就能夠順利達成目的。其主頻時鐘設定是時，精度為7。2.5.2 DDS信號發(fā)生器的組成中的電路有著很高的集成度，要在外部基準時鐘、低精度電阻和去耦電容的搭配后才可以取得所要的信號。當采用長線路傳輸時，由于電感的效應會導致線路中產(chǎn)生較多的熱量，這時可以采取在線路中接入一個瓷片電容來對線路進行保護。DSP技術的最大優(yōu)點就是實現(xiàn)簡單的調(diào)制解調(diào)算法 9。2.5.3 DDS原理及應用AD933中的累加器為28位,其主要特點為可以在1個時鐘周期內(nèi)對步長進行技術,最后根據(jù)標準表地址中相關參數(shù)對輸出量進行地址查詢。當系統(tǒng)的時鐘頻率設置為0.1赫茲時，就可以通過

19、對3個并行串口進行數(shù)字量的輸入就可以對輸出的波形進行控制，輸出正弦波的表達式是： fOUTM（fMCLK/228） （1） 其中,M代表系統(tǒng)的頻率控制字,可以通過軟件進行設定,其范圍為0M2281 10。2.6.1 顯示電路分析隨著科技的不斷發(fā)展進步，也推動了液晶技術創(chuàng)新與突破。以其低功耗、體積小、重量輕，同時還憑借其豐富的內(nèi)容顯示功能和較好的穩(wěn)定性被用于許多應用系統(tǒng)的顯示模塊。該系統(tǒng)的顯示模塊使用的液晶顯示器，其特點是，顯示器每個點陣字符都能夠顯現(xiàn)出一個字符，經(jīng)過不同點陣字符結(jié)合后顯示出對應的信息，顯示區(qū)域主要是兩行，各行最多可以呈現(xiàn)出16個字符。并且字符之間還需要設置一定的間距，滿足字符顯

20、示的行與列的間距要求。該型號的顯示器的引腳有十六個，對應的標號如右圖。 VSS： 電源地VDD：電源正極相連VL：顯示單元模塊的數(shù)據(jù)顯示調(diào)整端口，主要是對比度的控制顯示，同樣可關聯(lián)10K電位器。RS: 系統(tǒng)寄存器的選取，若該模塊處于高電位情況下，則選取數(shù)據(jù)寄存器單元，其余情況都是指令寄存器。該型號的顯示器通過控制輸入電壓的大小，再結(jié)合液晶顯示的物理特性，完成相應圖片的顯示。控制系統(tǒng)的給出的電壓控制指令在執(zhí)行時需先檢查液晶模塊是否處于低電平狀態(tài)，否則對應的指令不執(zhí)行且失效，這種執(zhí)行機制的決定了顯示器為慢顯示。如下表所示： LCD1602內(nèi)部顯示地址12345678910111213141516序

21、號000102030405060708090A0B0C0D0E0F第一行404142434445464748494A4B4C4D4E4F第二行該型號的顯示器內(nèi)部的CGROM已經(jīng)存儲了許多電子字符的組合并賦予相應的代碼，方便使用過程中直接提取，都是一些常見的圖形字符，比如數(shù)字、字母等等。的設計即的控制/驅(qū)動和外界的連接設計。控制P2端口和的數(shù)據(jù)端口相連，傳輸數(shù)據(jù)。處于高電位狀態(tài)才能產(chǎn)生有效信號，為了是電流處于工作范圍需要上拉電阻，所以中間要接上10K的電阻，以此決定顯示器高低點位，是否可以進行顯示。顯示器的顯示清晰程度與對比度有著很大的關系，對比度低時會使屏幕顯示模糊，對比度高時屏幕會出現(xiàn)重影有

22、效顯示效果。所以中間10K排阻還用作對比度調(diào)節(jié)。液晶顯示器的RW端口和P2.6口連接，高電平1時對輸入信號完成讀取。使能E端和單片機P2.7口銜接，在其從高電平變?yōu)榈碗娖街筮M行指令執(zhí)行，將讀數(shù)進行顯現(xiàn)。2.7 按鍵電路按鍵電路十分簡單明了，使用三個按鍵（一個是增加鍵，一個是減少鍵，最后一個是設置鍵）這三個鍵位分別與單片機芯片的PB13，PB14，PB15口相連接，從而控制數(shù)值的變化與調(diào)節(jié)。D9833有一個標準串行接口，MCU的復位電路可以分成上電以及按鈕手動復位。此次設計中采取外部復位電路實現(xiàn)。，具體如下圖所示。在VCC上升時間低于1毫秒(RC =),振蕩器啟動時間小于10毫秒，該電路會維持

23、在高電平或低電平。信號顯示被寫入模塊16位信息。 3.2 波形輸出軟件設計 數(shù)據(jù)的傳輸過程中需要保證P3.3的電位處于低電平，而且采用8-bit數(shù)據(jù)的傳輸方式可能會因為電壓的不穩(wěn)定而導致數(shù)據(jù)的丟失。AD9833型號單片機最大的特點就是可以在較低的電壓環(huán)境下運行，在運行的過程中可以同時進行8位的數(shù)據(jù)處理，而且支持多次對存儲器進行讀寫操作。C8051F005單片機也是集成芯片，它所帶控制器內(nèi)核具有很強的適應能力。本次實驗中需要對單片機的相關端口進行兩次讀寫操作中，SCLK的主要作用是保證串行數(shù)據(jù)的穩(wěn)定高效傳輸。4、系統(tǒng)調(diào)試與仿真軟件設計過程中用到的是美國所制造出的51系列兼容C語言的一種開發(fā)軟件。

24、和匯編相比，有著靈敏度更高，易于上手等優(yōu)點，對初學者而言十分友好。 Keil能夠給予一個完善的開發(fā)處理方案，包括C編譯器，宏組件等，經(jīng)過集成開發(fā)環(huán)境（）完成組合。5 結(jié)語此次課題的完成，一方面是對大學時所學內(nèi)容的回顧和溫習，同時也是對自己掌握程度的考察。該課題所用到的知識是信號發(fā)生器的基本功能，并以此為基礎，完成此次信號發(fā)生器的設計。并且該設計對自身的操作技術有所提升。在系統(tǒng)的設計開發(fā)過程中，需要極為熟練的掌握單片機主要結(jié)構以及工作機理，并對單片機如何完成控制進行了解。對不同模塊功能的深入分析、了解和比較，找出最合適可行的設計方案。為實現(xiàn)信號發(fā)生器系統(tǒng)的設計，學習了芯片的內(nèi)部結(jié)構、DDS發(fā)生器在系統(tǒng)中的作用，以及各部分的電路原理。還學習了顯示模塊所用的芯片的內(nèi)部結(jié)構、引腳說明和不同引腳在系統(tǒng)中的作用，以及各部分的電路原理。由于硬件設備發(fā)展硬件比較成熟，采用集成設計可以降低成本，只需對幾種方案進行優(yōu)缺點比較，再結(jié)合實際需求就可以選出合理的方案。在軟件部分，具體包括了單片機的控制軟件、DDS輸出設計。顯示部分采用四發(fā)光二極管配合按鍵，對所獲取到的波形完成有效地顯示，操作十分便捷，顯示質(zhì)量較高。軟件程序的方案基本上都是通過程序完成操控，通過四個子程序以及起媒介作用的主程序所組成，外加可以修正波形頻