基于STC單片機的正交掃頻信號源設(shè)計

1、本科畢業(yè)論文(設(shè)計)題目： 基于STC單片機的正交掃頻信號源設(shè)計 學(xué)院： 物理與電子科學(xué)學(xué)院 班級： 姓名： 指導(dǎo)教師： 楊建秀 職稱： 助教 完成日期： 2014 年 5 月 25 日基于STC單片機的正交掃頻信號源設(shè)計摘要：本論文利用先進的DDS頻率合成技術(shù)產(chǎn)生一種高效的符合實驗要求的信號源，通過選用STC89C52RC單片機控制兩片AD9850信號源模塊的運行，對單片機進行編程，產(chǎn)生一種正、余弦相互正交的信號源；并且頻率可在一定范圍內(nèi)掃頻，掃頻的范圍可以自行調(diào)節(jié)，可大可小，只要在程序中置換掃頻范圍即可，但受模塊性能影響，在正常范圍內(nèi)是可以實現(xiàn)的；掃頻的步進幅度也可自行設(shè)計，達到快速、慢速

2、掃頻的效果，最終設(shè)計生成一種頻率可步進的正交信號源，在示波器上可以觀察到實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞：單片機；AD9850；正交掃頻信號源目 錄1. 引言11.1 研究背景11.1.1 STC89C52RC單片機簡介11.1.2 AD9850芯片簡介21.2 單片機的控制原理21.3 AD9850的應(yīng)用31.4 本課題的目的和研究任務(wù)32. 頻率可步進的正交掃頻信號源設(shè)計方案的選擇32.1 系統(tǒng)設(shè)計42.2 模塊設(shè)計42.2.1 控制模塊42.2.2 信號源模塊52.2.3 檢測模塊53. 設(shè)計內(nèi)容53.1 程序設(shè)計63.2 整體思路設(shè)計及原理圖64. 系統(tǒng)的調(diào)試74.2 硬件系統(tǒng)的調(diào)試84.3 實驗結(jié)果

3、85. 結(jié)束語9參考文獻10 1. 引言隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，我們的日常生活與電子信息工業(yè)密切相關(guān)。電子工業(yè)的發(fā)展已是不可逆轉(zhuǎn)的時代潮流。本課題設(shè)計的信號源有2個顯著特點：正交、掃頻，采用單片機來實現(xiàn)電路的控制功能。在當今世界，變化迅速，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，必然對一切都提出更高的要求。普通的信號發(fā)生器即將退出電子技術(shù)領(lǐng)域的舞臺，生產(chǎn)調(diào)試所需是像DSP技術(shù)一樣的新興技術(shù)DDS，同DSP一樣也是一種數(shù)字化技術(shù)。較以往的頻率合成器，它們不僅僅是經(jīng)濟和節(jié)約，而且精確度高，正是DDS技術(shù)的一系列優(yōu)點，使得各國都在不斷的研發(fā)和生產(chǎn)各自的DDS芯片。目前在雷達、通信等其他領(lǐng)域也占有一席之地。1.1 研究背景D

4、DS芯片是一種頻率合成器，采用全數(shù)字頻率合成技術(shù)。芯片結(jié)構(gòu)有相位累加器、低通濾波器和D/A轉(zhuǎn)換器等。一旦給定時鐘頻率，頻率控制字就決定了輸出信號的頻率。所以DDS技術(shù)的優(yōu)點使的從1980年開始每個國家都在開發(fā)和研制各自的DDS產(chǎn)品。例如，本課題上所用的AD9850就是AD公司的DDS芯片，DDS不僅作為高效的頻率源，而且也出現(xiàn)在核磁諧振頻譜學(xué)及其成像，儀表檢查等。1.1.1 STC89C52RC單片機簡介STC89C52RC單片機是一款比較實用的單片機，這是由宏晶科技公司生產(chǎn)的。首先它使用的指令代碼與8051單片機使用的是可以融合的，并且它還擁有12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期，還可以在這

5、兩種周期中隨意選擇。此外，它有定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1，還增加了一個控制和狀態(tài)分別位于T2CON和T2MOD定時器/計數(shù)器2。如下，圖1是引腳圖，圖2是實物圖1。圖1 STC89C52RC引腳圖單片機如今有豐富的種類，不同的單片機有不同的樣式與引腳圖。正確了解所用單片機的引腳圖以及實物圖對實驗的正確連線是有幫助的。 圖2 STC89C52RC實物圖1.1.2 AD9850芯片簡介AD9850芯片有三大部分作為核心組成。第一部分是DDS系統(tǒng)，可以實現(xiàn)編程；第二部分是高速比較器，將輸入的信息與正弦查詢表作比較；第三部分是DAC（高性能模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器），用于將數(shù)字信號變換成模擬正弦波輸出

6、。125 MHz是其能夠達到的最高時鐘頻率，在此時鐘下可以輸出0.0291 Hz的頻率分辨率。因為它有32位用來控制頻率，此外還具有5位用來控制相位，故相位增量可以自由組合。再加上1位控制電源休眠，還有2位控制工作方式，一共是40位控制字。只要外界將時鐘源接到芯片的時鐘引腳，寫入正確的控制字，就能夠輸出模擬的正弦波。并且波的兩大重要因素：頻率和相位，還可以編程控制。我們知道CMOS工藝是一種非常節(jié)能的工藝，本芯片就采用了這種工藝，所以功耗低。它的外形封裝形式是28引腳狀的。 圖3 AD9850芯片引腳圖1.2 單片機的控制原理單片機最核心的部分就是晶振，當為單片機提供一個時間標準，晶振每震動一

7、下，單片機就會執(zhí)行一條指令，控制原理當然就是用高低電平了，高電平5伏，低電平0伏，外圍連接設(shè)備就可以工作了。我們需要把程序燒到單片機里，實現(xiàn)以單片機為核心控制器件，控制AD9850以輸出我們需要的信號波。單片機要和其他外部設(shè)備、計算機之間互換信息時，通常不是選擇并行方式就是串行方式。兩種方法都各有利弊，要在符合自身利益的前提下，選用一種高效、經(jīng)濟的方式。并行通信因為是數(shù)據(jù)的所有位同時傳送，自然速度提升了，但是缺點就是傳輸線的數(shù)量與數(shù)據(jù)位數(shù)成正比，位數(shù)一旦比較多，且是遠距離傳送時就不宜選用的。另一個串行方式，雖然數(shù)據(jù)一位一位的傳送，但這就保證了它能夠節(jié)省傳輸線資源，而且方便控制，當然速度無法與并

8、行方式相比，適用于短距離傳輸。至于利用串行口還是并行口，可以由我們在程序中自行實現(xiàn)。本實驗中當然兩種方式皆可考慮，但是綜合考慮，我們在程序中編程實現(xiàn)了串行的方法。因為考慮到此次進行的課題研究是關(guān)于高頻方面的，模塊上的貼片電容、電感易受周圍的各種干擾；此外由于模塊體積很小，選取并行模式進行工作的話，會需要很多連線，容易分辨不清從而出錯，而且是近距離傳輸。所以我們選取了串行模式工作3。1.3 AD9850的應(yīng)用AD9850芯片是一種高集成芯片，核心技術(shù)采用的是DDS技術(shù)，因為DDS一系列優(yōu)點，所以其已經(jīng)成為現(xiàn)代通信電子設(shè)備頻率源的首選技術(shù)?，F(xiàn)代社會短波通信依然在軍事和海事通信中有著舉足輕重的重要性

9、，長期以來得到很多國家的高度重視。目前，它仍是軍事通信和海事通信中必不可少的手段。而以前的短波通信多以模擬設(shè)備為主，然而這種系統(tǒng)的本身的缺陷與不足越來越無法滿足現(xiàn)代社會對短波通信的性能要求。數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，使得一些智能器件綜合了各種數(shù)字技術(shù)，因而在短波通信中受到廣泛推廣。因此AD9850就在短波數(shù)字接收機等等中也得到了應(yīng)用。它不僅能產(chǎn)生 直流信號也可以產(chǎn)生寬的頻率信號，所以從誕生之日起，就在市場上供不應(yīng)求，廣泛用在雷達系統(tǒng)和低功耗頻率源中。1.4 本課題的目的和研究任務(wù)設(shè)計要求：正確編程達到要求，并將程序燒到單片機之中；正確利用杜邦線連接，在示波器上應(yīng)能檢測到所需要的信號源。設(shè)計目的：通過本次

10、畢業(yè)設(shè)計的過程了解AD9850芯片的設(shè)計原理，了解前衛(wèi)的DDS技術(shù)，以及現(xiàn)代電子設(shè)備的頻率源知識。 2. 頻率可步進的正交掃頻信號源設(shè)計方案的選擇實現(xiàn)本課題所要生成的信號，事實上在現(xiàn)在這個琳瑯滿目、豐富多彩的電子世界是不足為奇，也是方法眾多的。但是如何選擇設(shè)計一種結(jié)果良好、符合經(jīng)濟效益的方案顯得尤為重要。所以我們要自上而下的統(tǒng)觀全局，不僅要設(shè)計出系統(tǒng)框圖，給人以直觀印象，更在此基礎(chǔ)上進行詳細的細節(jié)設(shè)計，最終實現(xiàn)實驗結(jié)果。2.1 系統(tǒng)設(shè)計AD9850（1）系統(tǒng)設(shè)計要做到自下而上，統(tǒng)觀全局，從總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，而后再進行細化。本課題的總體結(jié)構(gòu)概括起來是三個環(huán)節(jié)的模塊。對各個模塊選擇以及設(shè)計完畢，模

11、塊之間既是連線相接，最終通電供于系統(tǒng)。下圖既是本課題產(chǎn)生的正交掃頻信號源的系統(tǒng)框圖。 單片機 示波器電源AD9850（2） 圖4 系統(tǒng)方框圖2.2 模塊設(shè)計本課題有三個模塊需要設(shè)計，第一是控制模塊，用來選擇系統(tǒng)的核心器件去控制系統(tǒng)的運行；第二是信號源模塊，信號源模塊的選擇尤為重要，選擇不同的信號源直接關(guān)系到產(chǎn)生結(jié)果的穩(wěn)定性以及對實驗環(huán)境的要求；第三是檢測模塊，選擇一種好的檢測設(shè)備可以清楚的判別實驗結(jié)果的實現(xiàn)與否，以及實驗結(jié)果的效果。以下是本課題設(shè)計到的三個模塊環(huán)節(jié)的選擇方案。2.2.1 控制模塊方案1：采用FPGA、CPLD作為控制器，F(xiàn)PGA、CPLD適合作為大規(guī)模系統(tǒng)的控制核心，因為它有很

12、多單片機達不到的高速度，而且輸出信號的穩(wěn)定性高，I/O資源豐富，對它進行功能拓展十分方便。此外，IN/OUT皆采用并行方式工作，提高了系統(tǒng)的處理速度。另外，它們還具有體積小、密度高、規(guī)模大等優(yōu)點，但是其處理數(shù)據(jù)的能力遠不如單片機了。本課題所進行的實驗研究是小系統(tǒng)，并且運行速度不是很快，不需要昂貴的FPGA、CPLD。方案2：采用STC89C52RC單片機作為控制器，因為此類控制器的價格低廉，需要的外接電路簡單，編程語言簡易且豐富，使用匯編語言或者我們熟悉的C語言都是可以的，且易操作，作為小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制中心和在一定的工作速度要求下，選取單片機是不錯的選擇4。2.2.2 信號源模塊方案1：A

13、D9854、AD9851也是數(shù)字頻率合成器芯片，AD9854是Analog Device公司近來推出的一款性價比很高的DDS芯片，由單一的3.3V電源就可以提供高性能，能在五種模式下工作，可產(chǎn)生300MHz的系統(tǒng)時鐘，具有革新的DDS結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生高穩(wěn)定的方波輸出，且具有簡化的控制接口；AD9851與AD9850在引腳布局上大致相似，前者還擁有6倍頻參考時鐘，可以達到180MHz的時鐘頻率。方案2：本實驗所使用的單片機晶振是12MHz，所以芯片的輸入時鐘頻率不會太大，一定達不到其最大工作頻率125MHz。況且AD9850相對可靠，不要求于時鐘波形，具有一定的使用價值，并且輸出信號在穩(wěn)定性、信噪比、

14、分辨率、失真度上都可以達到實驗所要達到的要求。也不需要AD9854、AD9851的高時鐘頻率，更為重要的是，這樣的高頻率單片機的晶振是無法滿足要求的。綜上分析，信號源模塊選擇AD9850為芯片更為合適5。2.2.3 檢測模塊方案：對于現(xiàn)代社會層出不窮的各種檢測設(shè)備，雖然在性能、功能上達到了幾乎登峰造極，琳瑯滿目的境界，但是無不是價格高昂，讓學(xué)習(xí)者望而卻步。所以我選擇了常見的易操作的雙蹤道示波器。因為我們需要產(chǎn)生正交信號，即同時產(chǎn)生頻率相同的正弦、余弦信號，所以要在示波器上同時觀察這兩路信號，所以我們開通雙蹤道來同時跟蹤這兩路信號，將這兩路信號同時顯示在示波器上。采用示波器靜止功能，可以觀察到我

15、們運行并在掃頻中運動的信號在具體某一時刻的真實波形。可以在實驗結(jié)果中看到這是兩路幾乎一樣的信號，在同一時刻相位是反相的。盡管有一絲偏差，那是正常的兩路信號的高頻干擾等其他一些誤差干擾，還可以看到兩路信號的幅值及掃頻的頻率變化范圍6。3. 設(shè)計內(nèi)容在實驗之前，我們已經(jīng)清楚的選擇了三個模塊，并作出了有益于實驗課題，并且在符合要求的情況下，選擇了經(jīng)濟合理的模塊。之后的內(nèi)容就是進行正確的程序設(shè)計，達到所需信號要求，之后進行整體設(shè)計。搞清楚芯片以及模塊的引腳原理圖進行正確的接線，對此信號源模塊AD9850核心仍然是內(nèi)部芯片，其余的外圍電路包含的電容、電感、電阻等等這些貼片器件僅僅是為了滿足在高頻率芯片工

16、作的環(huán)境下，應(yīng)該為高頻工作提供的環(huán)境。3.1 程序設(shè)計本課題的主函數(shù)： void main(void) /入口函數(shù) ad9850_reset();ad9850_wr1(0x00,1000000);ad9850_wr2(0x40,1000000);frequence=1000000; while(1) for(frequence =1000000;frequence20000000; )ad9850_wr1(0x00,frequence); ad9850_wr2(0x40,frequence);frequence+=100000;DelayMS(2); frequence=1000000;3.2

17、 整體思路設(shè)計及原理圖整體思路設(shè)計：本系統(tǒng)采用單片機作為主控制器，兩片AD9850芯片作為主信號發(fā)生器產(chǎn)生正交掃頻信號,一片產(chǎn)生正弦信號；另一片產(chǎn)生反相，即移向90產(chǎn)生余弦信號，信號的頻率范圍及步進是完全相同的。只要將兩片AD9850的時鐘信號同時連到單片機的不同引腳，而頻率信號、輸出引腳、rest接到單片機的同一位置，這樣兩片芯片就可以幾乎同步的輸出信號，相同的頻率更新引腳可以使兩路信號同時更新。本系統(tǒng)除了可以產(chǎn)生正弦波，事實上還可以產(chǎn)生方形波，經(jīng)過微分器就可以實現(xiàn)三角波。當然如果要實現(xiàn)這樣的波，需要添加外圍的電路。本課題只研究我們常用和常見的正弦、余弦波。因為在學(xué)習(xí)信號這門課程中，我們知道

18、任意一種信號都可以分解成正、余弦這兩個基本信號。這樣我們實驗課題研究的信號就在現(xiàn)實生活中有了意義，有了實用價值。兩片芯片產(chǎn)生的兩路信號同時掃頻，同時出現(xiàn)在雙蹤示波器上。關(guān)鍵在于選擇串行還是并行工作方式，因為這就決定了連線的方式。將編好的程序燒到單片機內(nèi)部，給單片機供電，連接好兩個AD9850信號源模塊，再將模塊的串行輸出端口連接到雙蹤示波器上，在示波器上就可以觀察到本課題所需要的波形。在此，需要對本課題的最終實驗結(jié)果做出一點小的說明，我們所涉及的信號源是非常靈活的，我們掃頻的范圍不是一成不變的，只要在系統(tǒng)允許的性能下，在程序中的相關(guān)環(huán)節(jié)只需要修改數(shù)字即可。同時，我們在一定頻率范圍內(nèi)，頻率是10

19、00Hz的增加掃頻還是2000Hz的遞增掃頻，都僅僅是修改一個數(shù)字而已7。下圖是本課題的原理圖： 圖5 原理圖4. 系統(tǒng)的調(diào)試要想本系統(tǒng)能夠正確的工作運行，并產(chǎn)生正確的實驗結(jié)果，我們需要事先在系統(tǒng)工作前進行相關(guān)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。以下是進行硬件、軟件調(diào)試的相關(guān)步驟。4.1 軟件系統(tǒng)的調(diào)試為了使我們寫的代碼可以正確的執(zhí)行，我們需要對其進行單片機的軟件調(diào)試，這樣將我們用C語言完成的程序翻譯成匯編語言，即一條條指令，從中可以看到一些程序中變量的數(shù)值變化。甚至如果我們對某段程序不太熟悉，也不清楚它如何運行，也可以通過調(diào)試，查看執(zhí)行過程，進而了解程序是如何實現(xiàn)的，一般對單片機進行軟件調(diào)試，常用的有Ke

20、il軟件8。4.2 硬件系統(tǒng)的調(diào)試1、首先，把用到的元器件的型號進行檢查，以防出錯。靜態(tài)檢查就是硬件電路不要出錯，例如單片機插在實驗箱上的方向是否正確?？梢允褂萌f用表等工具檢查硬件電路的連接是否和已有的電路圖一致，是否存在短路、虛焊現(xiàn)象。如果單片機在實驗箱上的位置放反了，實驗是無法成功的，還可以檢查三線；2、其次,對該系統(tǒng)通電，進行檢測。檢查電路板上的元器件是否存在冒煙兒、異味、過熱的情況。各個設(shè)備的操作是否符合要求。單片機當完成硬件以及軟件調(diào)試后，就可以進行正常的工作了9。4.3 實驗結(jié)果 圖6實驗結(jié)果之掃頻圖 圖7實驗結(jié)果之靜止圖 圖8雙蹤道示波器以下是本實驗課題的具體的連線圖，以及我們所

21、選用的AD9850模塊圖和具體的控制器STC單片機芯片實物圖?？梢钥吹皆趯嶒炏渖先绻麊纹瑱C坐落位置是雙排針插腳，對我們本課題的串行方式連線，兩片信號源模塊共享的單片機引腳是非常方便的。 圖9 實物連接圖 圖10 AD9850模塊圖 圖11 雙排針5. 結(jié)束語通過對本課題的研究和設(shè)計以及實驗結(jié)果的分析，充分說明了DDS頻率合成技術(shù)的先進與方便，AD9850芯片盡管滿足了本課題實驗結(jié)果的要求，但是在性能以及生成信號的穩(wěn)定性上遠遠不如更先進的AD9854等。在控制模塊中，我們選擇了簡單、方便且易操作的單片機作為核心控制芯片，但是如果在大型規(guī)模控制或是高性能、高速率的要求下，掌握好對FPGA、CPLD

22、是更好的選擇?？傊?，我們應(yīng)該追求更加先進、卓越的前端器件、芯片、技術(shù)達到更加完美的實驗結(jié)果。從實驗結(jié)果我們可以清楚的看到，我們所選的實驗硬件設(shè)備是可以達到我們所需要的要求的，實驗結(jié)果的穩(wěn)定性、準確性已經(jīng)可以滿足我們對正交掃頻信號的要求。作為一個電子專業(yè)的學(xué)生，我們應(yīng)該時刻關(guān)注電子世界發(fā)生的變化，對每一次新的革命，不僅僅是學(xué)習(xí)效仿應(yīng)用，更重要的是能在應(yīng)用中推陳出新，在服務(wù)我們自身的基礎(chǔ)上，爭取引領(lǐng)新的潮流，創(chuàng)造新的革命。參考文獻1 徐愛鈞.單片機原理實用教程M.第二版.北京：電子工業(yè)出版社，2011.2 高西全，丁玉美.數(shù)字信號處理M.第三版.西安電子科技大學(xué)出版社，2008.3 肖洪兵.跟我學(xué)

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