基于DDS與單片機(jī)的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

1、基于DDS與單片機(jī)的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)參賽隊(duì)員： 陳天元楊維龍王偉健選題：信號源的設(shè)計(jì)和制作（B題）摘 要在信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)中,傳統(tǒng)的用分立元件或通用數(shù)字電路元件設(shè)計(jì)電子線路的方法設(shè)計(jì)周期長,花費(fèi)大,可移植性差。本設(shè)計(jì)是用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)。與傳統(tǒng)的頻率合成方法相比，DDS合成信號具有頻率切換時(shí)間短、頻率分辨率高、相位變化連續(xù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。使用單片機(jī)靈活的控制能力與液晶顯示相結(jié)合，使得可以直觀的控制波形的產(chǎn)生與調(diào)整，帶來了很大的便利。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，直接數(shù)字頻率合成，液晶II1、現(xiàn)有元件電源模塊7805，STC89C52單片機(jī)，DDS直接式數(shù)字合成頻率計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804，160

2、2液晶顯示模塊，獨(dú)立按鍵等。2、設(shè)計(jì)要求一、任務(wù)在給定±12V電源電壓條件下，設(shè)計(jì)并制作一個正弦波信號源。二、要求1、基本要求：（1）輸出信號頻率：20Hz300kHz；（2）信號幅度：負(fù)載50時(shí)，輸出電壓峰峰值為13V可調(diào)；（3）信號源輸出電阻為50；（4）顯示信號的頻率和幅度。2、發(fā)揮部分：（1）提高信號的輸出頻率至1MHz；（2）提高信號的輸出電壓峰峰值至110V可調(diào)（帶50負(fù)載）；（3）自行擴(kuò)展信號源功能。3、可以達(dá)到的效果本設(shè)計(jì)可以將輸出頻率調(diào)整到130 MHz，而由于在超高頻條件下，一般運(yùn)放的帶寬不足以滿足放大波幅的設(shè)計(jì)要求，但是我們通過負(fù)電壓增加電流的方式，使得信號輸出

3、電壓峰峰值為0.7v2.4v可調(diào)。本設(shè)計(jì)可以通過按鍵進(jìn)入設(shè)置模式，左右按鍵移動光標(biāo)，上下按鍵加減頻率，再通過旋鈕調(diào)節(jié)幅值，然后按鍵結(jié)束設(shè)置模式，就可以從輸出口輸出我們在設(shè)置模式下給定的波形。4、硬件設(shè)計(jì)4.1、總體設(shè)計(jì)通過STC89c52給定DDS頻率，短接DDS上J3口，使DDS可以輸出穩(wěn)定頻率和幅值的波形，同時(shí)通過液晶顯示出幅值與頻率。通過按鍵中斷進(jìn)入波形設(shè)置模式，可以通過按鍵增減與移位調(diào)整液晶屏上的頻率顯示，通過調(diào)整LM348設(shè)置新的幅值，在跳出波形設(shè)置模式時(shí)，DDS會按照設(shè)置好的波形參數(shù)產(chǎn)生一個新的波形，用以輸出。STC89c52中央處理DDS直接式數(shù)字合成頻率計(jì)AD檢測輸出峰峰值LM

4、348為波形調(diào)相，放大或縮小1602液晶顯示頻率和幅值按鍵和旋鈕調(diào)頻調(diào)幅給入設(shè)置中斷4.2、 STC89C52單片機(jī)介紹4.2.1 STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其特性及參數(shù)如下：、1、增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。2、工作電壓：5.5V3.3V（5V單片機(jī)）/3.8V2.0V（3V單片機(jī)），此設(shè)計(jì)用的是5V的單片機(jī)。3、工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051的080MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。4、8K字節(jié)程序存儲空間。5、片上集成512字節(jié)RAM。6.通用I/O口（32個），復(fù)

5、位后為：P0/P1/P2/P3是準(zhǔn)雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為I/O口用時(shí)，需加上拉電阻。7、ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。8、共3個16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2。9、具有看門狗功能，PDIP封裝。4.2.2 STC89C52各個引腳分布如下圖3-3所示：圖3-3本設(shè)計(jì)主要用的是P0口，（P0口連接數(shù)碼管前要加1千歐的排阻作為上拉電阻）P2.7P2.4口，這12口用于控制數(shù)碼管；P3.2，P3.3

6、，P3.6，P3.7口與ADC0804相連接用以接受ADC0804轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號；引腳9用以單片機(jī)的復(fù)位電路；P2.0口用以控制蜂鳴器；18，19引腳用以晶振相關(guān)的電路；40和31引腳用以連接+5V電壓。（注：單片機(jī)的核心部分晶振必不可少，并且晶振應(yīng)該盡量靠近單片機(jī)，否則將使得單片機(jī)無法正常工作。）4.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804介紹4.3.1 ADC0804規(guī)格及引腳分配圖如下圖3-4所示：圖3-4本設(shè)計(jì)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0804，它是CMOS8位單通道逐次漸近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，各個引腳的大致功能如下：1、/CS：芯片片選信號，低電平有效，即/CS=0,該芯片才能正常工作。2、/WR:啟

7、動ADC0804進(jìn)行ADC采樣，該信號低電平有效，即/WR信號由高電平變成低電平時(shí)，觸發(fā)一次ADC轉(zhuǎn)換。3、/RD:低電平有效，即/RD=0時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)端口DB0DB7讀出本次的采樣結(jié)果。4、UIN（+）和UIN（-）：模擬電壓輸入端，模擬電壓輸入接UIN（+）端，UIN（-）端接地。5、VREF/2：參考電壓接入引腳，該引腳可外接電壓也可懸空。6、CLKR和CLKIN：外接RC電路產(chǎn)生模數(shù)轉(zhuǎn)換器所需的時(shí)鐘信號，時(shí)鐘頻率CLK = 1/1.1RC，一般要求頻率范圍100KHz1.28MHz。7、AGND和DGND：分別接模擬地和數(shù)字地。8、/INT:中斷請求信號輸出引腳，該引腳低電平有效，

8、當(dāng)一次A/D轉(zhuǎn)換完成后，將引起/INT=0，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，該引腳應(yīng)與微處理器的外部中斷輸入引腳相連（如51單片機(jī)的INT0,INT1腳），當(dāng)產(chǎn)生/INT信號有效時(shí)，還需等待/RD=0才能正確讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，若ADC0804單獨(dú)使用，則可以將/INT引腳懸空。9、DB0DB7：輸出A/D轉(zhuǎn)換后的8位二進(jìn)制結(jié)果。4.3.2 ADC0804的外圍電路如下圖3-5所示：圖3-5如圖3-5所示，圖中的C4為104的電容，其中104表示的是大小為10乘以10的4次方皮法的電容；R4是大小為十千歐的電容。VccREF接+5V的電壓，Vin（-）和A-GND以及D-GND均接地，Vref/2不接任何線路，V

9、in（+）接輸入的模擬電壓信號；DB0DB7分別于單片機(jī)上的P0.0P0.7引腳相連；INTR、CS、RD和WR分別連接單片機(jī)的P3.3、P3.2、P3.7及P3.6引腳相連。4.3.3 ADC0804轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如下圖3-6所示：圖3-6ADC0804轉(zhuǎn)換主要包含下面三個步驟：1.啟動轉(zhuǎn)換：由圖3-6中的上部“FIGURE 10A”可知，在/CS信號為低電平的情況下，將/WR引腳先由高電平變成低電平，經(jīng)過至少tW(WR)I 延時(shí)后，再將/WR引腳拉成高電平，即啟動了一次AD轉(zhuǎn)換。注：正常啟動AD轉(zhuǎn)換/WR的低電平保持時(shí)間tW(WR)I的最小值為100ns，即/WR拉低后延時(shí)大于100ns即可以

10、，具體做法可通過插入NOP指令或者調(diào)用delay()延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，不用太精確，只要估計(jì)插入的延時(shí)大于100ns即可。2延時(shí)等待轉(zhuǎn)換結(jié)束：依然由圖3-6中的上部“FIGURE 10A”可知，由拉低/WR信號啟動AD采樣后，經(jīng)過1到8個Tclk+INTERNAL Tc延時(shí)后，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，因此，啟動轉(zhuǎn)換后必須加入一個延時(shí)以等待AD采樣結(jié)束。注：內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)間“INTERNAL Tc”的時(shí)間范圍為6273個始終周期，因此延時(shí)等待時(shí)間應(yīng)該至少為8+73=81個時(shí)鐘周期。本試驗(yàn)時(shí)鐘頻率約為Fclk=1/1.1R36C15=606KHz,其中R36約為150K, C15約為150pF,因此時(shí)鐘周期約為Tcl

11、k=1/Fclk=1.65us。所以該步驟至少應(yīng)延時(shí)81*Tclk=133.65us. 具體做法可通過調(diào)用delay()延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，不用太精確，只要估計(jì)插入的延時(shí)大于133.65us即可。3.讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果：由圖3-6的下部“FIGURE 10B”可知，采樣轉(zhuǎn)換完畢后，再/CS信號為低的前提下，將/RD腳由高電平拉成低電平后，經(jīng)過tACC的延時(shí)即可從DB腳讀出有效的采樣結(jié)果。注：tACC的典型值和最大值分別為135ns和200ns，因此將/RD引腳拉低后，等待大于200ns后即可從DB讀出有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果。具體做法可通過調(diào)用delay()延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，不用太精確，只要估計(jì)插入的延時(shí)大于200ns

12、即可。4.4單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)電路包括單片機(jī)CPU，復(fù)位電路以及晶振電路，具體電路如下圖3-7所示：圖3-7如上圖所示與第9引腳相連的即為復(fù)位電路，與第18、19引腳相連的為晶振電路。其中Y1為晶振，頻率為11.0592MHZ。復(fù)位電路中的106是大小為10F的電容，R1為200歐姆的電阻，S1為復(fù)位按鍵。其中GND接地，第40和31引腳接+5V電壓。4.5單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的引腳連接電路單片機(jī)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的引腳連接電路如下圖3-8所示：圖3-84.6 DDS模塊DDS采用串行寫入模式，省下了單片機(jī)的5個IO口。4.7液晶1602模塊液晶屏幕光標(biāo)指針對應(yīng)的實(shí)際位置如下：采用串口寫

13、入模式，省下4個IO口。back1，back2用來調(diào)整背景光，V0用來調(diào)整液晶中的文字顯示電壓，調(diào)整文字亮度。4.8按鍵設(shè)置采用5個獨(dú)立按鍵作為波形設(shè)置按鍵，一個外部中斷0的按鍵，采用跳變沿觸發(fā)進(jìn)入設(shè)置模式。P0.0按鍵加一，P0.1按鍵減一，P0.2按鍵液晶光標(biāo)左移一位，P0.3按鍵液晶光標(biāo)右移一位，P0.4按鍵跳出頻率設(shè)置，進(jìn)入幅值設(shè)置，再次按下，跳出波形調(diào)試，開始產(chǎn)生波形。4.9整體電路5、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用c語言編程。程序流程圖：開始液晶與DDS模塊初始化，顯示此時(shí)的幅值與頻率設(shè)置初值1MHz按下設(shè)置按鍵按鍵控制液晶光標(biāo)左右移動以及數(shù)值加減跳出頻率設(shè)置，進(jìn)入幅值設(shè)置，旋鈕調(diào)整波幅，

14、同時(shí)可以在液晶上及時(shí)顯示設(shè)置幅值按下break鍵按下break鍵跳出設(shè)置模式，輸出設(shè)置波形頻率與幅值檢測設(shè)置按鍵有無按下6、測試6.1測試儀器：示波器6.2測試方法：按鍵，通過示波器查看波形頻率與幅值是否與液晶顯示值相吻合。左 加右 減調(diào)幅SetBreak按下Set鍵后進(jìn)入波形設(shè)置模式，分為兩個環(huán)節(jié)，先調(diào)整頻率，之后按下break鍵鎖住頻率，通過旋鈕調(diào)整幅值，再按下break鍵鎖住幅值，跳出設(shè)置，產(chǎn)生波形。7、結(jié)束語經(jīng)過幾天的辛勤努力，三人合理分工，我們雖然沒能實(shí)現(xiàn)題目的所有要求，但在調(diào)試的過程中，遇到了很多問題，有硬件上的，也有軟件上的，但在大家的努力下，最終解決了不少問題。由于時(shí)間緊，任務(wù)

15、重，不可能做到盡善盡美，系統(tǒng)還可以進(jìn)行很多改進(jìn)。這次競賽增強(qiáng)了我們的實(shí)踐能力和協(xié)作精神，而且懂得了聯(lián)系實(shí)際的重要性，這對我們以后的學(xué)習(xí)和工作大有裨益。雖然我們遇到了很多困難和障礙，但同時(shí)也是困難與希望并存，我們將繼續(xù)努力爭取更大的進(jìn)步。附錄：單片機(jī)程序# include <reg52.h># include <intrins.h>#include <math.h>typedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;typedef bit BOOL;sbit add=P00;sbit miu=P01;sbi

16、t left=P02;sbit right=P03;sbit keybreak=P04;sbit ad9850_w_clk =P22; /P2.2口接ad9850的w_clk腳/PIN7sbit ad9850_fq_up =P21; /P2.1口接ad9850的fq_up腳/PIN8sbit ad9850_rest =P20; /P2.0口接ad9850的rest腳/PIN12sbit ad9850_bit_data =P23; /P2.3口接ad9850的D7腳/PIN25sbit int1=P33;/定義管腳功能 sbit cs=P30;/使能端sbit wr=P36;/寫端口sbit r

17、d=P37;/讀端口sbit rs=P07; /lcdsbit rw=P06;sbit ep=P05;sbit d7=P27;sbit d6=P26;sbit d5=P25;sbit d4=P24;BYTE dis1="V:00000000 V "BYTE dis2="F:01000000 Hz"double frequence=1000000;double volt=1.17;void dds(); /dds模塊輸出波形void reset_serial();/dds初始化void wr_serial(unsigned char w0,double f

18、requence); /dds寫入頻率void delay2(int m) /延時(shí)1us左右unsigned char i,j;for (i=0;i<m;i+)for (j=0;j<253;j+);void delay(unsigned int t);/延時(shí)很短void delay(unsigned int t)unsigned int qwe;for(qwe=t;qwe>0;qwe-);BOOL lcd_bz() /檢測lcd是否忙BOOL result;rs=0; / 讀忙信號rw=1;ep=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(

19、);_nop_();_nop_();_nop_();result = (BOOL)(P2&0xf0)&0x80);ep=0;return(result );lcd_wcmd (BYTE cmd) /向lcd寫入設(shè)置工作命令while (lcd_bz();rs=0;rw=0;ep=0;_nop_();_nop_();P2=cmd;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep=0;rs=0;rw=0;ep=0;_nop_();_nop_();P2=cmd<<4;_nop_(

20、);_nop_();_nop_();_nop_();ep=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep=0;lcd_pos (BYTE pos) /定位lcd光標(biāo)（指針）位置lcd_wcmd (pos|0x80);lcd_wdat (BYTE dat) /lcd寫數(shù)據(jù)while (lcd_bz();rs=1;rw=0;ep=0;_nop_();_nop_();P2=dat;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep=0; rs=1;rw=0;ep=0;_nop_();

21、_nop_();dat=dat<<4;P2=dat;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep=0;lcd_init () /lcd初始化lcd_wcmd (0x28);delay2 (1);lcd_wcmd (0x0f);delay2 (1);lcd_wcmd (0x06);delay2 (1);lcd_wcmd (0x01);delay2 (1);void display()/顯示初始頻率與幅值初值BYTE i;lcd_init ();delay2 (20);lcd_pos (0

22、x00);i=0;while (dis1i!='0') lcd_wdat (dis1i); i+; lcd_pos (0x40);i=0;while (dis2i!='0') lcd_wdat (dis2i); i+; void display1(); /按鍵調(diào)頻同時(shí)顯示void display1()unsigned int i;long int sum=10000000,freq,h; freq=(long int)frequence;for(i=0;i<8;i+)lcd_pos (0x40+i+2);h=freq/sum; lcd_wdat ('

23、;0'+h);freq=freq%(sum);sum=sum/10;void display2(); /按鍵設(shè)置模式結(jié)束后，液晶顯示幅值void display2()unsigned int i;long int h,v,sum=1000000;v=(long int)(volt*1000000);for(i=0;i<6;i+)lcd_pos (0x00+i+4);h=v/sum; lcd_wdat ('0'+h);if(i=0)lcd_pos (0x00+i+5);lcd_wdat (0x2e);i+;v=v%(sum);sum=sum/10;lcd_pos (

24、0x00+11);void dds() /dds總程序ad9850_w_clk=0;ad9850_fq_up=0;ad9850_rest=0;ad9850_bit_data=0;reset_serial();wr_serial(0x00,frequence);delay2(20);/P1為8位數(shù)據(jù)口/ ad9850復(fù)位(串口模式) /void reset_serial()ad9850_w_clk=0;ad9850_fq_up=0;/rest信號ad9850_rest=0;ad9850_rest=1;ad9850_rest=0;/w_clk信號ad9850_w_clk=0;ad9850_w_cl

25、k=1;ad9850_w_clk=0;/fq_up信號ad9850_fq_up=0;ad9850_fq_up=1;ad9850_fq_up=0;/ 向ad9850中寫命令與數(shù)據(jù)(串口) /void wr_serial(unsigned char w0,double frequence) /wr_serial(0x00,1000);/unsigned char i,w; long int y;double x;/計(jì)算頻率的HEX值x=4294967295/125;/適合125M晶振 這是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)里面的一個值，表示無符號整數(shù)的十進(jìn)制最大值。/如果是16進(jìn)制，那么是0xFFFFFFFF。/如果

26、時(shí)鐘頻率不為180MHZ，修改該處的頻率值，單位MHz ！frequence=frequence/1000000;frequence=frequence*x;y=frequence;/寫w4數(shù)據(jù)w=(y>>=0);for(i=0;i<8;i+)ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/寫w3數(shù)據(jù)w=(y>>8);for(i=0;i<8;i+)ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_

27、clk=0;/寫w2數(shù)據(jù)w=(y>>16);for(i=0;i<8;i+)ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/寫w1數(shù)據(jù)w=(y>>24);for(i=0;i<8;i+)ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01;ad9850_w_clk=1;ad9850_w_clk=0;/寫w0數(shù)據(jù)w=w0; for(i=0;i<8;i+)ad9850_bit_data=(w>>i)&0x01;ad9850_w_c

28、lk=1;ad9850_w_clk=0;/移入始能ad9850_fq_up=1;ad9850_fq_up=0;void keyboard(); /按鍵觸發(fā)中斷，進(jìn)入波形設(shè)置模式void keyboard()unsigned int a=9;lcd_pos (0x40+a);while(1)if(left=0)delay2(20);if(left=0)while(!left);if(a!=2) a-;else a=a+7;lcd_pos (0x40+a);if(right=0)delay2(20);if(right=0)while(!right);if(a!=9) a+;else a=a-7;l

29、cd_pos (0x40+a);if(add=0)delay2(20);if(add=0)while(!add);lcd_pos (0x40+a);if(dis2a=0x39)dis2a=0x30;lcd_wdat (dis2a);frequence=frequence-pow(10,(9-a)*9;lcd_pos (0x40+a);elsedis2a=dis2a+1;lcd_wdat (dis2a);frequence=frequence+pow(10,(9-a);lcd_pos (0x40+a); if(miu=0)delay2(20);if(miu=0)while(!miu);lcd_pos (0x40+a);if(dis2a=0x30)dis2a=0x39;lcd_wdat (dis2a);frequence=frequence+pow(10,(9-a)*9;lcd_pos (0x40+a);elsedis2a=dis2a-1;lcd_wdat (dis2a);frequence=frequence-pow(10,(9-a);lcd_pos (0x40+a); if(keybreak=0)delay2(20);if(keybreak=0)while(!keybreak);b