基于AD9850的信号发生器的设计

本设计使用51单片机对DDS芯片进行控制，利用DDS造波的方法产生需要的正弦信号，用户可以根据需要对芯片设定一个频率值或相位值，通过单片机传输芯片控制字对芯片输出的频率和相位进行调节，达到用户所需要的信号，本设计采用模块化设计的方法，不同的模块为实现不同的功能而设计，总体由单片机控制协调工作。利用51单片机控制DDS芯片造波，具有如下优越性：1，造价低廉，51单片机应用广泛，价格低廉，比较容易购买，DDS芯片价格较单片机稍高，但与价格成百上千的成品信号发生器相比，本设计经济优势显著，2，电路简单，本设计利用单片机进行数字化控制，外围元件较少。3，频率控制准确高效，数字化控制的最大优点即控制准确，分辨率高，响应快。

关键词：DDS  51单片机  数字控制

目录

摘要    i

目录    ii

绪论    - 1 -

第一章 工作原理    - 2 -

1.1 DDS工作原理    - 2 -

第二章 电路设计    - 3 -

2.1设计思路    - 3 -

2.2 元件选型    - 3 -

2.3 系统总体框图    - 3 -

第三章 元器件介绍    - 4 -

3.1 STCC52RC单片机    - 4 -

3.2  AD9850芯片    - 5 -

3.3 液晶（LCD1602）介绍    - 7 -

第四章 调试    - 8 -

4.1 硬件调试    - 8 -

4.2 软件调试    - 12 -

绪论

   信号发生器使一种能产生所需要信号的一种仪器。首先，信号发生器可以分为通用和专用两大类，专用信号发生器主要是为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、编码信号发生器等。其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波形发生器、脉冲信号发生器、函数发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需的频率。但也可以通过频率合成法来获得所需的频率，利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器。

   目前国内生产的波形发生器大部分是利用分立元件及模拟集成电路构成的转换量程靠手动来实现，不仅体积大而且可靠性和准确度很难进一步提高。

第一章 工作原理

1.1 DDS工作原理

直接数字频率合成器的基本原理：DDS是利用采样定理，根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后存储在EPROM中构成一个正弦查询表，通过查表法产生波形，它是由参考时钟、相位累加器、正弦查询表和D/A转换器组成。如下图所示：

图1.1  直接数字频率合成原理框图

相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，N位加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据相加；另一方面以相加后的结果形成正弦查询表的地址，取出表中与该相位对应的单元的幅度量化正弦函数值，作为取样地址值送入幅度/相位转换电路。这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值经查表查处，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。

图 1.2  相位累加器原理图

由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位。当相位累加器加满量时就会产生一次溢出，溢出频率就是DDS输出的信号频率。

第二章 电路设计

2.1设计思路

 根据创新实验设计要求，采用DDS芯片实现设计内容。本设计采用模块化思想，即将不同功能器件分别做成不同模块，以排线进行连接。根据功能要求，共分为四大模块：输入模块、输出模块、造波模块和控制模块。其中输入模块为矩阵键盘，输出模块为LCD1602液晶显示屏。控制模块由单片机、晶振电路和复位电路以及电源开关、指示灯构成单片机最小系统板，造波模块是采用AD9850模块产生波形。这四个模块可以全部焊在同一个板子上。

2.2 元件选型

单片机选用STC公司生产的STCC52RC单片机。DDS芯片选用AD9850芯片，液晶选用LCD1602，矩阵键盘选用3*4矩阵键盘。

2.3 系统总体框图

本系统结构以单片机为核心，三大功能模块为主干，总体框图见下：

图2.1  系统总体设计框图

2.4 主程序流程图

                          图2.2 主程序流程图

第三章 元器件介绍

3.1 STCC52RC单片机

 STCC51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陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体及电容C1、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C1、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、振荡器的稳定器、起振的难易程度及温度稳定性，这里选择使用石英晶体，我们的电容使用30PF。单片机引脚图如下：

图3.1  51单片机管脚图

1. 主电源引脚(2根)

VCC(Pin40)：电源输入，接+5V电源

GND(Pin20)：接地线

2. 外接晶振引脚(2根)

XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端

XTAL2(Pin18)：片内振荡电路的输出端

3. 控制引脚(4根)

RST(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE(Pin30)：地址锁存允许信号

PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号

EA(Pin31)：访问程序存储器的控制信号。当为低电平是，对程序存储器ROM的读操作限定在外部程序存储器。如果为高电平，则从内部程序存储器中读取指令。

4. 可编程输入/输出引脚(32根)

51单片机有四组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位(8根引脚)，共32根，每一根引脚都可以编程。

P0口(Pin39~32)：8位双向I/O口线，名称为P0.0~P0.7

P1口(Pin1~Pin8)：8位准双向I/O口线，名称为P1.0~P1.7

P2口(Pin21~Pin28)：8位准双向I/O口线，名称为P2.0~P2.7

P3口(Pin10~Pin17)：8位准双向I/O口线，名称为P3.0~P3.7

3.2  AD9850芯片

AD9850是AD公司采用先进的DDS技术与1996年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，AD9850可产生一个频率纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转化成方波用作时钟输出。

AD9850采用先进的CMOS工艺，其功耗在3.3V供电时仅为155mW，温度范围为-40~85℃,如下图为AD9850模块的实物图和各引脚介绍。AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，它由加法器和一个N位相位寄存器组成，每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加，相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦表查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°~360°范围的一个相位点，查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC以输出模拟量。

图3.2  AD9850实物图

CLK：系统时钟频率输出（125MHZ）

RESET：控制DDS内部DAC的输出电流（当需要控制输出信号的幅度时，可以控制该脚的电压值从而控制DDS信号输出的幅度）

GND：输入电源地

VDD：输入电源正极（+5V）

RST：AD9850复位端（高电平，对芯片进行操作前需将该脚置为高电平，复位完成后将其置为低电平RST_AD9850）

FQUP：数据更新位（串行/并行数据输入时的输入位FQ_QD_AD9850）

WCLK：时钟输入端（串行/并行数据输入时的输入位CLK_AD9850）

D0：数据输入端（并行输入数据时的低位）

  D1~D6：数据输入端

D7：数据输入端（并行输入数据时的高位。当进行串行送数据时，该位是串行的数据输入位DataIn_AD9850）

ZOUT1，ZOUT2：正弦波输出端

QOUT1，QOUT2：方波输出端

3.3 液晶（LCD1602）介绍

液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。不能显示汉字的液晶命名规则是以点阵的列数和行数来命名的。如本设计使用的LCD1602的意思是每行显示16个字符，共有2行。可也显示汉字的液晶称为图形液晶，图形液晶是以点阵的数目命名的，每个点都可以单独控制。如12232代表该液晶有122行，32列的点阵。LCD1602内置含128个字符的ASCII字符集字库，显示控制用ASCII码即可。实物图和管脚说明如下：

图3.3 液晶实物图

GND: 接地

VDD: 电源正极

V0：液晶显示对比度调节

RS: 数据/命令选择

R/W: 读/写选择

E: 使能信号

D0-D7:数据口

BL1：背光电源正极

BL2：背光电源负极

第四章 调试

4.1 硬件调试

   将元器件按照电路原理图焊接在一个模块实验板上。焊接完成后，接通电源。首先检查各指示灯是否亮起，再用万用表测量各VCC、GND电平是否正常，然后用示波器检查晶振电路是否启振。仔细触摸各个芯片，检查有无过度发热情况。一切检查完成后，测试单片机复位电路是否工作良好。

整体实物硬件电路图如下：

图4.1 整体实物图

连接示波器后，选取小、中、大三个频率进行测试，检测是否稳定输出用户要求的波形。本设计频率选取1000Hz、10000Hz、1200000Hz三个值，产生矩形波和正弦波，测试结果如下：

图4.2 1000HZ矩形波测试结果

图4.3 1000HZ正弦波测试结果

图4.4 10KHZ矩形波测试结果

图4.5 10KHZ正弦波测试结果

图4.6 1000KHZ矩形波测试结果

       图4.7 1000KHZ正弦波测试结果

4.2 软件调试

图4.8 主程序调试

第五章 结语