【文章內(nèi)容簡介】 件都屬于數(shù)字信號處理部件，系統(tǒng)易于集成，功耗低，體積小，重量輕。 系統(tǒng)設(shè)計原理本文提出的采用DDS作為信號發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計方案， 根據(jù)輸出信號波形類型可設(shè)置、輸出信號幅度和頻率可數(shù)控、輸出頻率寬等要求，選用了美國A/D公司的AD9851 芯片，并通過單片機程序控制和處理AD9851的32位頻率控制字， 再經(jīng)放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡(luò)， 從而實現(xiàn)了信號幅度、頻率、類型以及輸出等選項的全數(shù)字控制。本系統(tǒng)主要由單片機、DDS直接頻率信號合成器、數(shù)字衰減電路、真有效值轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字積分選擇電路等部分組成。單片機AT89S52是整個系統(tǒng)關(guān)鍵部分，通過對鍵盤進行掃描讀入相位信息，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出到芯片AD9851，輸出波形。鍵盤輸入的數(shù)字信息經(jīng)AT89S52控制的LCD1602顯示。 系統(tǒng)框圖分析和設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖22所示，主要由單片機控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數(shù)字合成模塊、濾波模塊及運放模塊。其中，信號產(chǎn)生由單片機控制模塊和數(shù)字合成模塊實現(xiàn)，鍵盤與顯示模塊則用來實現(xiàn)人機交互的功能，濾波模塊及運放模塊用來對信號進行后期處理。 AD9851LCD1602鍵盤單片機低通濾波器信號輸出 圖22 信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖用戶從儀器面板上按鍵輸入命令，數(shù)據(jù)將顯示在字符型LCD上，并將命令傳輸?shù)絾纹瑱C，再由單片機控制DDS芯片輸出信號，并通過后級信號調(diào)理電路，最后輸出所需的信號。因為是可調(diào)控制，調(diào)節(jié)按鈕不僅可以輸出不同的波形，而且能增加和減小輸出波形的頻率。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計因為本課題的功能電路與相關(guān)部件較多，為了便于研制期間的調(diào)試與最終成品的產(chǎn)業(yè)化，所以系統(tǒng)的最后實現(xiàn)采用了模塊化的思想，即先把各個相關(guān)的電路與部件做成相互獨立的分離模塊，而系統(tǒng)的功能則是通過各模塊間的級聯(lián)來完成的。下面將分別敘述各功能模塊及其中所用到的器件、電路以及在系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試過程中應(yīng)該注意的問題。 穩(wěn)壓電源的設(shè)計單片機的+5v電源的獲得可通過直流電或者交流電獲得，通過直流電獲得可直接用電腦USB接口、干電池及DC—DC的方式獲得，而本系統(tǒng)通過7805穩(wěn)壓電路將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V直流電壓，輸出電壓穩(wěn)定，其最大輸出電流可為1A，能帶動一定的負(fù)載。 三端穩(wěn)壓集成電路7805簡介電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 系列和負(fù)電壓輸出的79系列。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。本系統(tǒng)需要使用+5v輸出作為單片機電源，故選用7805。用7805三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。但要注意，因此在使用中要注意電路電流上限。7805的引腳圖為31，其電路圖為32。 31 7805引腳圖 32 7805電路圖 系統(tǒng)電源電路設(shè)計12V的直流電源經(jīng)過濾波電路、7805穩(wěn)壓電路后輸出+5v直流電源，工作原理如圖 33：濾波+5v直流輸出7805穩(wěn)壓12V直流電源 圖33 +5v電源工作原理圖在實際電路中，12V的直流電源需要在這里接一個100uF的電解電容。 變壓器輸出端的12V電壓經(jīng)電容濾波，在電容C1兩端大約會有11V多一點的電壓，假如從電容兩端直接接一個負(fù)載，當(dāng)負(fù)載變化或交流電源有少許波動都會使C1兩端的電壓發(fā)生較大幅度的變化，因此要得到一個比較穩(wěn)定的電壓，還需在這里接一個三端穩(wěn)壓模塊7805。由于7805的輸出端不能高于輸入端，所以用二極管加以保護。 三端穩(wěn)壓器前后面各接一個104電容C1和C3，有濾波和阻尼的作用。 同時利用R1和發(fā)光二極管作為電源狀態(tài)指示燈，以便實時了解電源是否正常工作。系統(tǒng)電源電路如圖34所示。圖34 電源電路 DDS芯片的選擇及與單片機之間的通信信號的產(chǎn)生與控制部分電路由DDS片AD9851與單片機AT89S52組成， 用戶通過鍵盤輸入的信號要求被AT89S52接收，并經(jīng)其處理后將計算出的控制字傳送給AD9851，由AD9851產(chǎn)生頻率幅度可控的信號。下面以AD9851芯片為中心加以討論。 DDS芯片選擇及引腳圖本系統(tǒng)采用了美國模擬器件公司生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品 AD9851 芯片。AD9851 是在 AD9850 的基礎(chǔ)上，做了一些改進以后生成的具有新功能的 DDS 芯片。AD9851 相對于 AD9850 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是多了一個 6 倍參考時鐘倍乘器，當(dāng)系統(tǒng)時鐘為 180MHz 時，在參考時鐘輸入端，只需輸入 30MHz 的參考時鐘即可。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部分組成。其中具有 6 倍參考時鐘倍乘器的 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。這個高速 DDS 芯片時鐘頻率可達 180MHz， 輸出頻率可達 70 MHz，分辨率為 。AD9851采用28引腳的SSOP表面封裝，其引腳排列如圖35所示，各引腳定義如下：D0～D7：8 位數(shù)據(jù)輸入口，可給內(nèi)部寄存器裝入 40 位控制數(shù)據(jù)。PGND：6 倍參考時鐘倍乘器地。PVCC：6 倍參考時鐘倍乘器電源。WCLK：字裝入信號，上升沿有效。FQUD：頻率更新控制信號，時鐘上升沿確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)有效。FREFCLOCK：外部參考時鐘輸入。 CMOS/TTL 脈沖序列可直接或間接地加到 6 倍參考時鐘倍乘器上。在直接方式中，輸入頻率即是系統(tǒng)時鐘；在 6 倍參考時鐘倍乘器方式，系統(tǒng)時鐘為倍乘器輸出。 AGND：模擬地。AVDD：模擬電源(+5Ｖ)。 DGND：數(shù)字地。 DVDD：數(shù)字電源(+5Ｖ)。 RSET、DAC：外部復(fù)位連接端。 VOUTN：內(nèi)部比較器負(fù)向輸出端。 VOUTP：內(nèi)部比較器正向輸出端。 VINN：內(nèi)部比較器的負(fù)向輸入端。 圖35 AD9851管腳示意圖VINP：內(nèi)部比較器的正向輸入端。DACBP：DAC 旁路連接端。 IOUTB： “互補”DAC 輸出。 IOUT：內(nèi)部 DAC 輸出端。 RESET：復(fù)位端。低電平清除 DDS累加器和相位延遲器為 0Hz 和 0 相位，同時置數(shù)據(jù)輸入為串行模式以及禁止 6 倍參考時鐘倍乘器工作。 AD9851的串、并行通信AD9851的串行操作有兩種數(shù)據(jù)傳送方式，即從最高位開始傳送和從最低位開始傳送，這是由控制寄存器1的第8位來決定的。默認(rèn)狀態(tài)為低電平，此時先傳送最高位，若為高電平則先傳送最低位。串行操作的時序如圖36所示。 圖36 控制字串行輸入時序圖在串行輸入方式,WCLK上升沿把25引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入,當(dāng)移動40位后,用一個FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖37是相應(yīng)的控制字串行輸入的控制時序圖。AD9851的復(fù)位(RESET)信號為高電平有效,且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期。AD9851的參考時鐘頻率一般遠(yuǎn)高于單片機的時鐘頻率, 因此AD9851的復(fù)位(RESET)端可與單片機的復(fù)位端直接相連。圖37 控制字并行輸入的時序圖在并行裝入方式中,通過8位總線D0D7將可數(shù)據(jù)輸入到寄存器,在重復(fù)5次之后再在FQUD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS輸出頻率和相位),同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器。接著在WCLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù),并把指針指向下一個輸入寄存器,連續(xù)5個WCLK上升沿后, WCLK的邊沿就不再起作用,直到復(fù)位信號或FQUD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個寄存器。 單片機（AT89S52）控制電路AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash、256字節(jié)RAM、32 位I/O 口線、看門狗定時器、2個數(shù)據(jù)指針、三個16 位定時器/計數(shù)器、一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。一般單片機需外接一個時鐘電路和一個復(fù)位電路，其設(shè)計為下： 時鐘電路圖38 時鐘電路 XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應(yīng)直接加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz24MHz內(nèi)選擇。電容取30PF左右。AT89C52中有一個用于構(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。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。片外石英晶體或者陶瓷諧振器及電容CC2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容CC2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會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，這里采用電容30pF。 復(fù)位電路 AT89C52的外部復(fù)位電路有上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位。上電復(fù)位電容充電來實現(xiàn)。手動按鍵復(fù)位又分為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位。按鍵電平復(fù)位電路是在普通RC復(fù)位電路的基礎(chǔ)上接一個有下拉電阻100K、上拉電容10μf接VCC,電源由開關(guān)接至復(fù)位腳（和上拉電容并聯(lián)），上拉電容支路負(fù)責(zé)在“上電”瞬間實施復(fù)位；開關(guān)通過100K下拉電阻分壓器，保證對單片機實施按鍵電平復(fù)位。電路圖如下圖所示：圖39 復(fù)位電路 單片機控制電路圖 圖310 單片機控制電路原理圖P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。此外，（）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（），在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器。能驅(qū)動4個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 單片機與AD9851的接口單片機與AD9851的接口既可采用并行方式,也可采用串行方式,但為了充分發(fā)揮芯片的高速性能,應(yīng)在單片機資源允許的情況下盡可能選擇并行方式,本文重點介紹其并行方式的接口。 I/O方式并行接口I/ O方式的并行接口電路比較簡單,但占用單片機資源相對較多,圖311是I/O方式并行接口的電路圖,AD9851的數(shù)據(jù)線D0~D7與P1口相連, (10引腳)(11引腳)相連,所有的時序關(guān)系均可通過軟件控制實現(xiàn)。 AT89S52與AD9851的電路連接圖 液晶顯示模塊 LCD1602的主要性能1602型LCD可以顯示2行16個字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0～D7和RS，R/W，EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且具有字符對比度調(diào)