【正文】 △ fmin=(1∕2n)fc 由奈奎斯特采樣定理可知， DDS 輸出的最大頻率為 fmax=fc∕2 頻率控制字可由以上公式推出 K=f02 n∕fc 河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 當(dāng)外部參考時(shí)鐘頻率為 50MHz，輸出頻率需要為 1MHz 時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過(guò) 6倍頻，使得 fc變?yōu)?300MHz，這樣就可利用以上公式計(jì)算出 DDS 的需要設(shè)定的控制頻率字 K=1248／ 300 信號(hào)發(fā)生芯片選擇 系統(tǒng)采 用數(shù)字波形合成技術(shù)產(chǎn)生任意波形，其基本原理是設(shè)法將任意波形的采樣點(diǎn)的值依次通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。具體原理如下：首先自定義一個(gè)周期波形函數(shù)，其值按等距采樣Ⅳ個(gè)點(diǎn)，然后進(jìn)行離散化取值。采樣后，得到該波形一個(gè)周期內(nèi)Ⅳ點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)，把它們按 D／ A位數(shù)進(jìn)行取整轉(zhuǎn)換，合成偏移碼表存放在單片機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)中，根據(jù)波形時(shí)間參數(shù)值，依次取每個(gè)點(diǎn)的偏移碼通過(guò) I／ O 輸出給 D／ A 轉(zhuǎn)換器。如此循環(huán)取值，便可以得到連續(xù)的波形信號(hào)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，采用單片機(jī)AT89S51 控制 DDS 芯片 AD9835，通過(guò)改變 AD9835 內(nèi)部編程控制寄存器所選的操作模式、相位累加器的位數(shù)、頻率控制字和幅度控制字，以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度達(dá)106，最小頻率步進(jìn)為 1Hz，多檔可調(diào)的正弦信號(hào)，再使用可編程放大器對(duì)輸出電壓進(jìn)行精確控制，在頻率范圍內(nèi)能產(chǎn)生二進(jìn)制 PSK、 ASK 信號(hào)。在 100KHz 固定頻率載波進(jìn)行二進(jìn)制鍵控，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為 10Kbps，二進(jìn)制基帶序列信號(hào)自行產(chǎn)生，能夠產(chǎn)生模擬調(diào)制 AM 信號(hào)。 正弦波發(fā)生器是本設(shè)計(jì)的核心部分，波形發(fā)生器要求能產(chǎn)生模擬 AM、 FM 調(diào)制信號(hào)和二進(jìn)制 PSK、 ASK 信號(hào)， 以及優(yōu)于 106 的頻率穩(wěn)定度，且在 1KHz~10MHz的大范圍內(nèi)以 1Hz 的步進(jìn)調(diào)整。 采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，用隨機(jī)讀∕寫(xiě)存儲(chǔ)器 RAM 存儲(chǔ)所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字 K 為步進(jìn)對(duì)相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng) D∕ A 轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得所需波形。由于 DDS 具有相對(duì)帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短 (可小于 20μ s)，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成等優(yōu)點(diǎn)以及輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控，因此，可以完全滿足。 河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 整機(jī)有七大模塊組成，分別是電源產(chǎn)生電路，按鍵電路，單片機(jī)外圍控制電路，正弦波信號(hào)發(fā)生電路，濾波電路， D∕ A 轉(zhuǎn)換電路及幅度控制電路，信號(hào)放大電路。如圖 21 示： 按 鍵L E D 數(shù) 碼管 顯 示單 片 機(jī)A T 8 9 S 5 1D D S A D 9 8 3 5低 通 濾波 器D / A 轉(zhuǎn) 換器T L C 7 5 2 4運(yùn) 算 放大 器A D 8 2 9輸 出 圖 21 總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖 基于 DDS 芯片 AD9835 的正弦波信號(hào)發(fā)生器主要由 AT89S5 DDS 芯片AD983 D∕ A 芯片 TLC7524 和射頻運(yùn)算放大器 AD829 組成，如圖 21 所示。 單片機(jī) AT89S51 控制 DDS 集成電路 AD9835，輸出所期望的頻率正弦波信號(hào)。單片機(jī)還用于 控制輸出信號(hào)幅值，檢測(cè)按鍵，控 制 LED 顯示，并與 PC 通訊接收遠(yuǎn)程指令。 AD9835 輸出的信號(hào)經(jīng) 低通濾波器濾除高頻干擾后送至 D／ A 轉(zhuǎn)換器TLC7524，控制其幅值， TLC7524 輸出后經(jīng)運(yùn)算放大器 AD829 放大，最后輸出 滿足要求的正弦波。 單片機(jī)介紹及與 AD9835(DDS)連接電路 單片機(jī) AT89S51 介紹 單片機(jī)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)上起到了決定性的作用。AT89S51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 只讀程序存儲(chǔ)器 (PEROM)和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元。 AT89S51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶休或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。 外接石英晶體 (或陶瓷諾振器 )及電容 C1,C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容 C1,C2雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，這里選擇使用石英晶休，我們的電容使用 30pF。如使用陶瓷諧振器的話，應(yīng)選擇40pF士 10pF的容值的電容。也可以采用外部時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路的情況時(shí)，外部時(shí)鐘脈沖接到 XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2則懸空。 AT89S51有強(qiáng)大的 I/O口分別是 ， ， ， ，一共有 32個(gè)引腳，這 32個(gè)引腳都可以作為輸 N輸出 用，這 32個(gè)引腳，就構(gòu)成了 AT89S51的 4個(gè)并行 I/O接口，完成數(shù)據(jù)的傳送和控制。 本系統(tǒng)控制電路所采用的單片機(jī) AT89S51是 40引腳， PDIP封裝的集成電路芯片。隨著半導(dǎo)體工藝的成熟和生產(chǎn)的工業(yè)化，使它的價(jià)格越來(lái)越低，是經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)首選機(jī)型， AT89S51具有豐富的 I/O口內(nèi)置定時(shí)計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)。 單片機(jī)的引腳分布和功能如下： 圖 221 AT89S51 的 PDIP 封裝圖 由于工藝及標(biāo)準(zhǔn)化等原因，芯片的引腳數(shù)目是有限的。 MCS51系列把芯片引河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 腳數(shù)目定 為 40個(gè)，但單片機(jī)為實(shí)現(xiàn)其功能所需要的信 號(hào)數(shù)目卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)數(shù)。那么如何才能解決這個(gè)供需矛盾呢 ?正像有的人為了增加收入，要做一些兼職工作。單片機(jī)也同樣如此，當(dāng)引腳數(shù)量有限時(shí)， “兼職 ”是唯一可行的辦法，即給其中的一些信號(hào)引腳賦以雙重功能。 對(duì)于同一系列中各種型號(hào)的單片機(jī)，其此腳的基本功能是相同的，所不同的一是引腳的第二功能。有的引腳的第二功能比它的第一功能還有用，有時(shí)可以不利囂用它的基本功能，但是不能沒(méi)有它的第二功能。缺少了它的第二功能，單片機(jī)甚至還不能工作。 P0P3口的基本功能都是作為通用的雙向 I/O口，它們的第二功能分別如下： P0口 ：第二 功能是在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，用于分時(shí)使用的低 8位地直輸出和 8位數(shù)據(jù)總線的輸入，輸出。 Pl口 ：只有在 52子系列中， ．在 5l子系列中， Pl口就作為通用的 I/O口使用。 P2口：第二功能是在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，輸出高 8位地址。 P3口：在 51單片機(jī)中， P3口的 8引腳都具有特定的第二功能，而且都是很重要的功能。 單片機(jī)各端口的第二功能完全是自動(dòng)的，不需要用指令來(lái)轉(zhuǎn)換。如 、 分別是 WR、 RD信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)外接 RAM或有外部 FO口時(shí)，它們被用作第二功能，它們就自動(dòng)充當(dāng)著傳輸 “寫(xiě) ”或 “讀 ”信號(hào)的作用，不能作為通用 I/0口使用，也就是說(shuō)，只要 CPU執(zhí)行到 MOVX指令，就會(huì)有相應(yīng)的信號(hào)從 ，不需要事先用指令說(shuō)明。 P3口的第二功能信號(hào)都是單片機(jī)的重要控制信號(hào)。因此在實(shí)際使用時(shí)，都是按需要選用其第二功能信號(hào)，剩下的才以第一功能的身份做數(shù)據(jù)的 I/O使用。在本系統(tǒng)中，我們采用 P3口，完成了一系列控制。比如，缺相指示信號(hào)，用從 ，缺相輸入信號(hào)，從 。 本設(shè)計(jì)采用 AT89S51的 P3口的部分 I∕ O口的第二功能 、 RXD、 TXD分別于AD9835的 FSYNC、 SDATA、 SCLK連接。 AD9835 芯片介紹 AD9835芯片 主要技術(shù)指標(biāo)如下： 頻率范圍 ： ～ 10MHz 頻率分辨率： 頻率穩(wěn)定度 ： 1107 輸出幅度： 0～ 177。10V可調(diào)。 河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 AD9835的 相位累加器為 32位，取其高 12位作為讀取余弦波形存儲(chǔ)器的地址。每一次，時(shí)鐘使相位累加器的輸出也即余弦 ROM尋址地址遞增頻率設(shè)定數(shù)據(jù)Ｋ，對(duì)應(yīng)的波形相位變化為： ΔP＝ 2nK/232 (3) 因此，改變相位累加器設(shè)定值 K，就 可以改變相位值 ΔP，從而改變合成信號(hào)頻率 f。經(jīng)簡(jiǎn)化，合成信號(hào)頻率由下式?jīng)Q定： f＝ Kfmc/232 (4) 式中， fmc＝ 50MHz，用高穩(wěn)定度晶體振蕩器獲得。 K值在 1＜ K＜ 231之間。最低頻率為 fmin＝ fmc/232，根據(jù) Nyquist采樣定律，重建信號(hào)頻率最高可達(dá) fmc/2，但通常取最高頻率為 fmax＝ fmc/3。 AD9835的封裝圖如下圖所示： A D 9 8 3 51542736891 01 11 21 31 41 51 6F S A D J U S TR E F I NR E F O U TD V D DD G N DM C L KS C L KS D S T AC O M PA V D DI O U TA G N DP S E L 0P S E L 1P S E L E C TP S Y N C 圖 222 AD9835封裝圖 信號(hào)發(fā)生電路 作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，信號(hào)發(fā)生電路是由 AD9835和單片機(jī)構(gòu)成。其中， AD9835是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，最高時(shí)鐘頻率為 50MHz。當(dāng) AD9835的時(shí)鐘為25MHz時(shí)，其輸出頻率范圍為 DC ~，分辨率是 。 AD9835控制靈活方便，采用串行方式加載數(shù)據(jù)，只需 3根單片機(jī)端口線即可控制。圖 生電路， SCLK、 SDATA、 FSYNC連接到單片機(jī)，接受控制命令。為了保證性能和抗干擾，最好將數(shù)字電源 DVDD和模擬電源 AVDD分 開(kāi)供電。電路布局時(shí)，電容應(yīng)該盡可能地靠近 AD9835放置。 AD9835輸出后進(jìn)行低通濾波，濾除干擾波后將信號(hào)送至 D/A轉(zhuǎn)換器 TLC7524。 AD9835與 AT89S51接口圖如下所示： 河南機(jī)電高等專(zhuān)科學(xué)校畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 A T 8 9 S 5 1 A D 9 8 3 5P 3 . 3R X DT X DF S Y N CS D A T AS C L K 圖 231 AT89S51與 AD9835接口圖 AD9835與 AT89S51通過(guò) 3個(gè)引腳相連：如上圖所示。 AT89S51串行口工作在方式 0， TXD輸出固定頻率為 fosc的時(shí)鐘脈沖（ fosc為 AT89S51外接晶振頻率）來(lái)驅(qū)動(dòng)AD9835的 SCLK, 在該 時(shí)鐘信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與 ， AD9835接收從 AT89S51串行口的 RXD發(fā)出的命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。 AD9835的 FSYNC控制信號(hào)由 AT89S51可編程控制引腳 。在數(shù)據(jù)從 AT89S51串行口發(fā)往 AD9835時(shí)，該引腳程控為低電平。由于 AD9835接收的大部分命令和參數(shù)為 16位，而 AT89S51每次只能發(fā)送 1字節(jié)數(shù)據(jù)，因此 FSYNC應(yīng)在 AT89S51串行口連續(xù)發(fā)送 2個(gè)字節(jié)的過(guò)程中保持低電平。 AT89S51從串行口輸出數(shù)據(jù)時(shí)低位先發(fā)出，而 AD9835首先接收高位 。 AD9835接收到的 16位數(shù) 據(jù)中，最高 4位是命令碼，接下來(lái)的 4位是地址碼，低 8位是數(shù)據(jù)碼。為了保證 AD9835按這個(gè)次序接受數(shù)據(jù)，在軟件設(shè)計(jì)中將要傳輸?shù)拿畲a、地址碼和數(shù)據(jù)碼逆序編碼從 AT89S51串行口發(fā)出。 A D 9 8 3 5F S A D JR E F I NR E F O U TD V D DD G N DM C L KS C L KS D A T AC O M PA V D DI O U TA G N DP S E L 0P S E L 1P S E L E C TP S Y N C3 . 9 K Ω1234567891 01 11 21 31 41 51 60 . 0 1 μ F1 0μ f0 . 1μ f12342 5 M H zN CV C CG N DO U T0 . 0 1 μF0 . 1 μ F1 0 μFO U T3 6 0 Ω﹢﹢ 圖 232 信號(hào)發(fā)生電路 波形的輸出時(shí)間參數(shù)是指輸出波形中每?jī)牲c(diǎn)的時(shí)間間隔。單片機(jī)程序中設(shè)定寄存器 0 是定時(shí)器、 T1 是計(jì)數(shù)器， 0 和 T1 串聯(lián)起來(lái)使用，滿足定時(shí)時(shí)間要求。當(dāng)計(jì)算出 C≤ 65