【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 i（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計(jì)難度以及對(duì)輸出信號(hào)雜散的抑制，實(shí)際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到 40%Fi. ? 頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短 DDS 是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)，無(wú)任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得 DDS 的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短。事實(shí)上，在 DDS 的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實(shí)現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率轉(zhuǎn)換的時(shí)間等于頻率控制字的傳輸時(shí)間， 也就是一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間。時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。 DDS的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到納秒數(shù)量級(jí)，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。 ? 頻率分辨率極高 若時(shí)鐘 Fi 的頻率不變， DDS 的頻率分辨率就由相位累加器的位數(shù) N決定。只要增加相位累加器的位數(shù) N即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù) DDS 的分辨率在 1Hz數(shù)量級(jí)，許多小于 1mHz 甚至更小。 ? 相位變化連續(xù) 改變 DDS 輸出頻率，實(shí)際上改變的每一個(gè)時(shí)鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號(hào)相位的連續(xù)性。 ? 輸出 波形的靈活性 只要在 DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制入調(diào)頻控制 FM、調(diào)相控制 PM和調(diào)幅控制 AM，即可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生 FSK、 PSK、 ASK 和 MSK等信號(hào)。另外，只要在 DDS 的波形存儲(chǔ)器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任務(wù)的波形。當(dāng) DDS 的波形存儲(chǔ)器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時(shí)，既可以得到正交的兩路輸出。 ? 其他優(yōu)點(diǎn) 由于 DDS 中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價(jià)比極高。 DDS也具有局限性，主要表現(xiàn)在： ? 輸出頻帶范圍有限 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 6 由于 DDS內(nèi)部 DAC和波形存儲(chǔ)器（ ROM）的工作速度限制，使得 DDS 輸出的最高頻有限。目前市場(chǎng)上采用 CMOS、 TTL、 ECL 工藝制作的 DDS 工習(xí)片，工作頻率一般在幾十 MHz 至 400MHz 左右。采用 GaAs 工藝的 DDS 芯片工作頻率可達(dá) 2GHz 左右。 ? 輸出雜散大 由于 DDS 采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，不可避免地引入了雜散。其來(lái)源主要有三個(gè)：相位累加器相位舍位誤差造成的雜散；幅度量化誤差（由存儲(chǔ)器有限字長(zhǎng)引起）造成的雜散和 DAC非理想特性造成的雜散。 167。 DDS的相關(guān)計(jì)算 由 DDS的工作原理 ，我們可以總結(jié)出以下幾個(gè)公式，各符號(hào)的定義為： Fi：基準(zhǔn)頻率； Fo： DDS輸出頻率； M：頻率控制字； N：相位累加器位數(shù)； K： DDS每個(gè)輸出周期的抽樣點(diǎn)數(shù)； Fmin： DDS最小輸出頻率（頻率分辨率）； Fmax： DDS最大輸出頻率。 Fo = (M/2N)*Fi (1) Fmin = (1/2N)*Fi (2) Fmax = (Mmax/2N)*Fi (3) K = 2N/M (4) 由此可以看出，當(dāng) N比較大時(shí)，對(duì)于很大范圍內(nèi)的 M值， DDS系統(tǒng)都可以在一個(gè)周期內(nèi)輸出足夠的點(diǎn)，保證輸出波形失真很小。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 7 第三 章 硬件電路設(shè)計(jì) 167。 對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的好壞是非常重要的。我本著實(shí)現(xiàn)所有要求的功能的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這樣可以降低成本，也可以減少一些電路本身的干擾。 對(duì)于本系統(tǒng)我采用了四個(gè)模塊，即：鍵盤模 塊、控制模塊、顯示模塊、正弦信號(hào)發(fā)生模塊。各個(gè)模塊之間的關(guān)系如 圖 。 圖 系統(tǒng)總框圖 根據(jù)系統(tǒng)總框圖可知 CPU是用來(lái)處理鍵盤傳來(lái)的按鍵信號(hào)，并且控制顯示模塊和正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊的正常工作的。本系統(tǒng)的核心是正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊，因它是產(chǎn)生正弦信號(hào)的中心，其它器件只是讓整個(gè)系統(tǒng)更加完善。 167。 方案一：利用單片機(jī)查詢正弦表的方法來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)程控。缺點(diǎn)是輸出信號(hào)頻率范圍比較窄，而且輸出信號(hào)的波形好壞和單片機(jī)查詢的正弦表有密切關(guān)系，既在正弦波的一個(gè)周期內(nèi)所查的正弦表次數(shù)越多，則正弦波的波形越好。但是單片機(jī)的負(fù)擔(dān)也變大了，計(jì)算量將明顯提高，則 單片機(jī)的大部分資源被輸出正弦波的工作所占用 。 方案二：利用模擬電路知識(shí)中的振蕩電路的方法來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)頻率范圍比較寬。缺點(diǎn)是電路的抗干擾能力比較差，不易實(shí)現(xiàn)程控，當(dāng)輸出頻率比較高時(shí)電路設(shè)計(jì)比較困難。 方案三：利用 DDS 技術(shù)來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的頻率范圍比較寬，電路比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)程控。缺點(diǎn)是 DDS器件價(jià)格有點(diǎn)高 ，而且多數(shù)是帖片元件， 鍵 盤 正弦信號(hào)產(chǎn)生 顯 示 CPU 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 8 這對(duì)于焊接工藝要求比較高。 為了達(dá)到更好的效果，本次設(shè)計(jì)我采用 DDS 技術(shù)。 167。 方案論證 按照系統(tǒng)功能要求，決定 CPU 模塊采用 AT 89S52 單片機(jī)，正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊采用AD8951，顯示模塊采用 LCD，控制模塊采用三個(gè)獨(dú)立按鍵 。正弦信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖 。 正弦信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)、 AD985 LCD 顯示電路和按鍵 電路等組成，它的硬件電路如附錄所示。 圖 3. 3 設(shè)計(jì)方案框圖 167。 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊 AT89S52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片微機(jī) (SingleChip Microputer)簡(jiǎn)稱為單片機(jī)。它在一塊芯片上集中成了中央處理 單元 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、定時(shí) /計(jì)數(shù)和多功能輸入 /輸出 I/O 口，如并行口 I/O、串行口 I/O 和轉(zhuǎn)換 A/D 等。就其組成而言，一塊單片機(jī)就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。其典型結(jié)構(gòu)如圖 。由于它具有體積小、功能強(qiáng)和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛地應(yīng)用于產(chǎn)品智能化和工業(yè)控制自動(dòng)化上。 AT89S52 鍵盤 LCD顯示 AD9851 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 9 時(shí) 鐘 電 路總 線 控 制C P UR O M / E P R O M / F L A S H4 K 字 節(jié)R A M 1 2 8 字 節(jié)S F R 2 1 個(gè)定 時(shí) / 計(jì) 數(shù) 器2 個(gè)中 斷 系 統(tǒng)5 中 斷 源 、 2 優(yōu) 先 級(jí)串 行 口全 雙 工 2 個(gè)并 行 口4 個(gè)R S TE A A L E P S E NX T A L 2 X T A L 1P 0 P 1 P 2 P 3V C CV S S 圖 單片機(jī)典型 內(nèi)部組成原理圖 單片機(jī)特點(diǎn)： a)單片機(jī)體積小巧、使用靈活、成本低，易于真正產(chǎn)品化。組裝各種智能式控制設(shè)備和儀器，能做到機(jī)電儀一體化。 b)面向控制。能有針對(duì)性地解決各種從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類控制 任務(wù)，因而能獲得最佳的性能價(jià)格比。 c)抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠的工作。這是其它微機(jī)集中無(wú)法比擬的。 d)可以方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)、分布式的集散控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率大大地提高。 e)單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品的研制周期短，所開發(fā)出來(lái)的樣機(jī)就是以后批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，可以避免不必要的二次開發(fā)過程。 單片機(jī)應(yīng)用： a)工業(yè)方面：電機(jī)控制，工業(yè)機(jī)器人，過程控制，智能傳感器，機(jī)電儀一體化等。 b)儀器儀表方面：智能儀器，醫(yī)療儀器，色譜儀，示波器等。 c)家用電器：高級(jí)電子玩具，微波灶，洗衣機(jī)，錄像機(jī) 等。 d)電訊方面：調(diào)制解調(diào)器，智能通訊設(shè)備等。 e)導(dǎo)航與控制方面：導(dǎo)彈控制，魚雷制導(dǎo)控制，智能武器裝置，航天導(dǎo)航系統(tǒng)等。 f)數(shù)據(jù)處理方面：圖形終端，彩色與黑白復(fù)印機(jī)，溫式硬盤驅(qū)動(dòng)器，磁帶機(jī)，打印機(jī)等。 g)汽車方面：點(diǎn)火控制，變速器控制，防滑剎車，排氣控制等。 MCS51系列單片機(jī)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，是單片機(jī)的主流系列，軟硬件應(yīng)用設(shè)計(jì)資料豐富齊全。為了提高指令的執(zhí)行速度和效率，采用了面向控制的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的獨(dú)立 CPU，即選擇 Atmel公司的 AT89S52單片機(jī)。 AT89S52是低功耗，高性能 ，采用 CMOS 工藝的 8位單片機(jī)。其片內(nèi)具有 8KB的可在線編程的 Flash存儲(chǔ)器。該單片機(jī)采用了 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型 AT89S52單片機(jī)的握住系統(tǒng)和引腳完全兼容；片內(nèi)的 Flash存儲(chǔ)器可在線重新編程，或使用通用的非易失性存儲(chǔ)器編程器；通用的 8位 CPU與在線可編程 Flash集成在一塊芯片上，從而使 AT89S52功能更加完善，應(yīng)用更加靈活；具有較高的性能價(jià)格比，使其在嵌入式控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景 [1]。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 10 AT89S52單片機(jī)具有如下特性 [16]： ? 片內(nèi)存儲(chǔ)器包含 8KB 的 Flash，可在線編程，擦寫次數(shù)不少于 1000 次； ? 具有 256 字節(jié)的片內(nèi) RAM； ? 具有可編程的 32根 I/O 口線（ P0、 P P2 和 P3 口）； ? 具有 3個(gè)可編程定時(shí)器 T0， T1 和 T2； ? 內(nèi)含 2個(gè)數(shù)據(jù)指針 DPTR0 和 DPTR1； ? 中斷系統(tǒng)是具有 8個(gè)中斷源、 6個(gè)中斷矢量、 2級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)； ? 串行通信口是 1個(gè)全雙工的 UART串行口； ? 2 種低功耗節(jié)電工作方式為空閑模式和掉電模式； ? 具有 3級(jí)程序鎖定位； ? 含有 1個(gè)看門狗定時(shí)器； ? 具有斷電標(biāo)志 POF； ? AT89S52的工作電壓為 ～ ； ? 全靜態(tài)工作模式為 0～ 3MHz（ AT89S52）和 0～ 16MHz（ AT89LS52） ； ? 與 MCS51 產(chǎn)品完全兼容。 單片機(jī)模塊電路圖 EA/VPP31XTAL119XTAL218RST/VPD91716121314151234567839383736353433322122232425262728PSEN29ALE/PROG301110Vcc40Gnd20U1AT89S52VCCGNDVCCXTAL1XTAL2P00P01P02P03P04P05P06P07P25P26P27RSTD7WCLKFP_UPRESETS3 S4GND GND1 2P3 Header 21 2P2 Header 2VCC GND 圖 167。 AD9851及外圍模塊 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 11 AD9851 芯片簡(jiǎn)介 AD9851是在 AD9850的基礎(chǔ)上，做了一些改進(jìn)以后生成的具有新功能的 DDS芯片。AD9851 相對(duì)于 AD9850 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是多了一個(gè) 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為180mhz時(shí)，在參考時(shí)鐘輸入端，只需輸入 30mhz 的參考時(shí)鐘 即可。 AD9851是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率 /相位寄存器、具有 6倍參考時(shí)鐘倍乘器的 DDS芯片、 10位的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個(gè)部分組成。其中具有 6倍參考時(shí)鐘倍乘器的 DDS芯片是由 32 位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、 D/A變換器以及低通濾波器集成到一起。這個(gè)高速 DDS芯片時(shí)鐘頻率可以達(dá)到 180mhz，輸出頻率可以達(dá)到 70mhz，分辨率為 [9]。 其功能方框圖如圖 。 圖 功能方框圖 引腳功能描述 引腳 圖如圖 D0– D7:8位數(shù)據(jù)輸入 . 數(shù)據(jù)端口，用于裝載 32位的頻率控制字和 8位相位控制字。 D7為最高位 5/PGND:6 REFCLK倍乘器接口 6/PVCC:6 REFCLK 倍乘器正向供電電壓引腳 7/W_CLK:數(shù)據(jù)加載時(shí)鐘 .上升沿加載并行或串行頻率 /相位控制字異步輸入到 40bit 輸入寄存器 8/FQ_UD:頻率更新 .上升沿異步加載 40 位數(shù)據(jù)到內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器對(duì) DDS 核心起作用 . 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）學(xué)士學(xué)位論文 12 FQ_UD 作用當(dāng)輸入寄存器只能容納一位有效的數(shù)據(jù)。 9/REFCLOCK: 參考時(shí)鐘輸入 . CMOS/TTL電平脈沖 ,直接或通過 6 REFCLK 倍乘器 . 直接模式 ,也是系統(tǒng)時(shí)鐘 .如果 6 REFCLK 倍乘器采用 ,倍乘器輸出也是系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘上升沿開始工作。 10,19/AGND:模擬地 (DAC and Comparator). 11,18/AVDD:模擬電路的正向供電電壓 (DAC 和比較器 , Pin 18)和帶隙電壓參考 Pin 11. 12/RSET: DAC外部復(fù)位連接 — k?電阻接地 10 MA 電流輸出 .這使得 DAC的 IOUT and IOUTB滿量程輸出成為可能 . RSET = 13/VOUTN:內(nèi)部比較器負(fù) 向輸出端 14/VOUTP:內(nèi)部比較器正 向輸出端 15/VINN :內(nèi)部比較器的負(fù)向輸入端。 16/VINP :內(nèi)部比較器的正向輸入端。 17/DACBP:DAC 旁路連接 .這是 DAC旁路連接端連接通常為 NC(無(wú)連接 )以便有很好的無(wú)雜散性能。 20/IOUTB:互補(bǔ) DAC 輸出具有和 IOUT有相同的參數(shù)，除去 IOUTB = (滿量程輸出 IOUT). 輸出負(fù)載應(yīng)該等于 IOUT最好的無(wú)雜散性能