【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DAC 轉(zhuǎn)化器發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同的幅值和頻率的輸出。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)各種需要的波形的輸出，成本也不高，只是在擴(kuò)展外設(shè)的時(shí)候浪費(fèi)了大量的接口，以后的系統(tǒng)擴(kuò)展可能會(huì)有影響。 方案四 利用專用直接數(shù)字合成 DDS 芯片制作的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。 DDS 有如下優(yōu)點(diǎn)：（ 1）頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)多個(gè)頻點(diǎn)（ N 為相位累加器位數(shù)） 。(2)頻率切換速度快，可達(dá) us 量級(jí)；（ 3）頻率切換時(shí)相位連續(xù)；（ 4）可以輸出寬帶正交信號(hào)；（ 5）輸出相位噪聲低，對(duì)參數(shù)頻率源的相位噪聲有改善作用；可 以產(chǎn)生任意波形；（ 7）全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)便于集成，體積小，重量輕。 DDS 芯片的時(shí)鐘頻率從幾十兆赫茲到幾百赫茲不等，芯片從一般功能到集成有 D/A 轉(zhuǎn)換器和正交調(diào)制器。 DDS 有上述諸多優(yōu)點(diǎn)，而且利用直接數(shù)字合成 DDS 芯片實(shí)現(xiàn)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生任意波 形并達(dá)到很高的頻率，克服了方案一、方案二的多數(shù)缺點(diǎn) ，故本設(shè)計(jì)采用方案四。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 69 頁(yè) DDS 工作原理 直接數(shù)字頻率合成器 （ DDFS）的基本原理： DDS 是利用采樣定理， 根據(jù)相位間隔對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行取樣、量化、編碼，然后儲(chǔ)存在 EPROM 中構(gòu)成一個(gè)正弦查詢表 ，通過(guò)查表法產(chǎn)生波形 。它是 由參考時(shí)鐘、相位累加器、正弦查詢表和 D／ A 轉(zhuǎn)換器組成，如圖 所示。 圖 直接數(shù)字頻率合成原理框圖 相位累加器由 N 位加法器與 N 位累加寄存器級(jí)聯(lián)構(gòu)成 ， 其原理框圖如圖 所示。 每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖 Fc， N位加法器將頻率控制數(shù)據(jù) K 與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果 Y 送至累加寄存器的輸入端。累加寄存器一方面將在上一時(shí)鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一時(shí)鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù) K 相加；另一方面 以相加后的 結(jié) 果形成正弦查詢表的地址 ,取出表中與該相位對(duì) 應(yīng)的單元中的幅度量化正弦函數(shù)值， 作為取樣地址值送入幅度 /相位轉(zhuǎn)換電路（即圖 ）。這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值 (二進(jìn)制編碼 )經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲(chǔ)器的輸出送到 D/A 轉(zhuǎn)換器， D/A 轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號(hào) 。 圖 相位累加原理框圖 由此可以看出，相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入時(shí)，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號(hào)的相位。 當(dāng)相位累加器加滿量時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出， 溢 出頻率就是 DDS 輸出的信號(hào)頻率。 相位累加器的最大計(jì)數(shù)長(zhǎng)度與正弦查詢表中所存儲(chǔ)的相位分隔點(diǎn)數(shù)相同，在取樣頻率 (由參考時(shí)鐘頻率決定 )不變的情況下，由于相位累加器的相位增量不同，將導(dǎo)致一周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)不同，輸出信號(hào)的頻率也相應(yīng)變化。如果設(shè)定累加器的初始相位，則可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行相位控制。由采樣原理可知，如果使用兩個(gè)相同的頻率合成器，并使其參考時(shí)鐘相同，同時(shí)設(shè)定相同的頻率控制字、不同的初始相位，那么在原理上就 可以 實(shí)現(xiàn)輸出兩路具有一定相位差的同頻信號(hào) 。 DDS 移相原理 所謂移相是指兩路同頻的信號(hào)，以其中的 一路為參考，另一路相對(duì)于該參考作超前或滯后的移動(dòng)，即稱為相位的移動(dòng)。兩路信號(hào)的相位不同，便存在相位差，簡(jiǎn)稱相差。若我們將一個(gè)信號(hào)周期看作是 360176。 ，則相差的范圍就在 0176。 ～ 360176。 之間。例如在圖 中，以 A 信號(hào)為參考， B 信號(hào)相對(duì)于 A 信號(hào)作滯后移相 φ176。 ，則稱 A 超前Bφ176。 ，或稱 B 滯后 Aφ176。 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 69 頁(yè) 圖 移相示意圖 若 輸出信號(hào) A 和 B 的相位差可調(diào)，須保證兩路信號(hào)同步， 故應(yīng) 滿足以下條件： (1)輸入到兩個(gè) 頻率合成器芯片 的參考時(shí)鐘之間的相位偏移要足夠小。這個(gè)相移會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)之間產(chǎn) 生與之成比例的相移。 (2)頻率控制字送到 頻率合成器 的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)后，還必須通過(guò)一個(gè)更新時(shí)鐘才能將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)送到相位累加器，成為有效數(shù)據(jù)后進(jìn)行輸出。 設(shè)計(jì)思路 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，以及方案的比較結(jié)果，擬采用 DDS 芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。本設(shè)計(jì)采用模塊化思想，即將不同功能器件分別做成不同模塊，以排線進(jìn)行連接。根據(jù)功能要求，共分為四大模塊：輸入模塊、輸出模塊、造波模塊和控制模塊。其中輸入模塊為矩陣鍵盤，輸出模塊為 LCD1602 液晶顯示器。輸入與輸出模塊體積較小，焊接在同一塊電路板上，但分有不同數(shù) 據(jù)接口，相互獨(dú)立。造波模塊由 DDS 芯片及其外圍電路以及一個(gè)低通濾波器組成?？刂颇K由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路以及電源開關(guān)、指示燈構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)板。 元件選型 元件選型的原則是在能夠完成畢業(yè)設(shè)計(jì)要求的前提下本著“經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠、夠用就行”的原則進(jìn)行。單片機(jī)選用 STC 公司生產(chǎn)的 STC89C52RC 單片機(jī)。 DDS 芯片選用 AD 公司生產(chǎn)的 AD9850 芯片。矩陣鍵盤則采用彈性小按鍵自行焊制。 系統(tǒng)總體框圖 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為以單片機(jī)為核心，三大功能模塊為主干?？傮w框圖見下： 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 STC89C52 AD9850 鍵盤 LCD 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 69 頁(yè) STC89C52RC 單片機(jī) STC89C52 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(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 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元， STC89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 STC89C52 單片機(jī)主要特性： 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫 (大于 1000 次） Flash ROM； 32個(gè)雙向 I/O 口； 256x8bit 內(nèi)部 RAM； 3 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器中斷； 時(shí)鐘頻率 024MHz； 2 個(gè)串行中斷，可編程 UART 串行通道； 2 個(gè)外部中斷源，共 8 個(gè)中斷源； 2 個(gè)讀寫中斷口線，3 級(jí)加密位； 低功耗空閑和掉電模式， 軟件 設(shè)置睡眠和喚醒功能； 1有 PDIP、 PQFP、 TQFP 及PLCC 等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 STC89C51 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。 管腳說(shuō)明。圖 所示： 圖 STC89C52 管腳分布 主電源引腳（ 2 根） VCC(Pin40)：電源輸入，接＋ 5V 電源 GND(Pin20)：接地線 外接晶振引腳（ 2 根） XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩 電路的輸入端 XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 69 頁(yè) 控制引腳（ 4 根） RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào) PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào) EA/VPP(Pin31)：程序 存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果接高電 則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。 可編程輸入 /輸出引腳（ 32 根） AT89S51 單片機(jī)有 4組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、 P P P3 口，每個(gè)口有 8 位（ 8 根引腳），共 32 根。每一根引腳都可以編程 。 PO 口（ Pin39～ Pin32）： 8 位雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P1 口（ Pin1～ Pin8）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P2 口（ Pin21～ Pin28）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ P3 口（ Pin10～ Pin17）： 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口線，名稱為 ～ AD9850 芯片 AD9850 芯片簡(jiǎn)介 AD9850 是 AD 公司采用先進(jìn)的 DDS 技 術(shù)于 1996 年推出的高集成度 DDS頻率合成器，它內(nèi)部包括可編程 DDS系統(tǒng)、高性能 DAC 及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。接上精密時(shí)鐘源， AD9850 可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或轉(zhuǎn)換成方波用作時(shí)鐘輸出。 AD9850 采用先進(jìn)的 CMOS 工藝 , 其功耗在 供電時(shí)僅為 155mW,溫度范圍為 40～ 85℃ , 采用 28 腳 SSOP 表面封裝形式。其管腳功能如圖 45 所示。圖 46 是 一個(gè)完整的可編程 DDS 系統(tǒng) ,包含了 AD9850 的主要組成部分。 AD9850 內(nèi)含可編程 DDS 系統(tǒng)和高速比較器 ,能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程 DDS 系統(tǒng)的核心是相位累加器 , 它由一個(gè)加法器和一個(gè) N 位相位寄存器組成， N為 32；每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘 ,相位寄存器便以步長(zhǎng)M 遞加；相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上；正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息 , 每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中 0176?！?360176。范圍的一個(gè)相位點(diǎn)；查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào) , 然后驅(qū)動(dòng) DAC 以輸出模擬量。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 69 頁(yè) CLKIN9WLCK7FQ_UP8RST22D04D13D22D31D428D527D626D7/LOAD25IN15IN+16V+6V+23V+11V+18IOUTB20IOUT21QOUT13QOUTB14DACBL17GND5GND10GND19GND24RSET12時(shí)鐘輸入端寫時(shí)鐘端復(fù)位端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端輸入電壓負(fù)端輸入電壓正端數(shù)字電源數(shù)字電源數(shù)字電源數(shù)字電源DAC 輸出DAC 輸出時(shí)鐘輸出時(shí)鐘輸出懸空數(shù)字地模擬地模擬地?cái)?shù)字地限流電阻 圖 AD9850 芯片管腳圖 相位寄存器每過(guò) 2N /M 個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次 , 相應(yīng)地正弦查詢表每經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)也回到初始位置 , 從而使整個(gè) DDS 系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波周期 OT = CT 2N /M，頻率 OUTf = MCf fc/2N ，CT 、 Cf 分別為外部參考時(shí)鐘的周期和頻率。 AD9850 采用 32 位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?14 位輸入到正弦查詢表 ,查詢表的輸出再被截?cái)喑?10 位后輸入到 DAC， DAC 輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。 DAC 滿量程輸出電流通過(guò)一個(gè)外接電阻 RSET 調(diào)節(jié) , 調(diào)節(jié)關(guān)系為 SETI = 32() , RSET 的典型值是 。 AD9850 在接上精密時(shí)鐘源和寫入頻率相位控制 字之后就可產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出 , 此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在 125MHz 的時(shí)鐘下 , 32 位的頻率控制字可使 AD9850 的輸出頻率分辨率達(dá) 。 AD9850 工作方式介紹 AD9850 的控制字有 40 位 ,其中 32 位是頻率控制位 ,5 位是相位控制位 ,1 位是電源休眠控制位 ,2 位是工作方式選擇控制位。在應(yīng)用中 ,工作方式選擇位設(shè)為 00 ,因?yàn)?01 ,10 ,11 已經(jīng)預(yù)留作為工廠測(cè)試用。相位控制位按增量 180176。 ,90176。 ,45176。 ,22. 5176。 ,11. 25176?；蜻@些組合來(lái)調(diào)整。頻率控制位可通過(guò)下式計(jì)算得到： OUTf = ( Cf W) / 232 其中 : OUTf 要輸出的頻率值 。 Cf 為參考時(shí)鐘頻率 。W 為相應(yīng)的十進(jìn)制頻率控制字 , 然后轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制即可。 相位控制字的計(jì)算 AD9850中有 5 bit用于相 位控制。因此，相位控制的精度為 360176。 /25 =176。，用二進(jìn)制表示為 00001，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置不同的相位控制字就可以實(shí)現(xiàn)精確的相位控制。 AD9850 有串