【正文】 杜老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神值得我去好好學(xué)習(xí)。 首先要感謝學(xué)校給我提提供了做這個(gè) 設(shè)計(jì) 的機(jī)會(huì)，感謝學(xué)校的各位領(lǐng)導(dǎo)和老師一直以來(lái)對(duì)我的教導(dǎo)和幫助。本設(shè)計(jì)中沒(méi)有設(shè)計(jì)幅值的顯示電路，這些問(wèn)題的解決還需要做很多工作。 （ 3） 闡述了軟件設(shè)計(jì)的總體思想，根據(jù)軟件方案并結(jié)合硬件電路，給出了總體以及幾個(gè)子模塊的流程圖， 并 用 C51 語(yǔ)言編制 了 相應(yīng)程序。 本文的主要研究成果如下： （ 1） 經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)源設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，分析并指出模擬合成法和直接頻率合成法等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的局限性，闡述了 DDS 技術(shù)在信號(hào)發(fā)生器中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。此液晶模塊采用并行發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，占用少量的 I/O口，同時(shí)在程序上占用空間很小。 為了提 高 CPU 的工作效率，可以采用中斷的方法掃描鍵盤，平時(shí) CPU 可以執(zhí)行任何操作程序，僅當(dāng)鍵盤上有鍵閉合時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求。每傳輸一次 8 位的控制碼后，延時(shí),置單片機(jī)引腳 為 1，即產(chǎn)生一個(gè)有效的 W_CLK 上升沿信號(hào)，將控制碼送入 AD9850輸入數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，重復(fù) 5 次后，就可將 40位的控制碼全部加載到 AD9850的輸入數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，然后再延時(shí) 1ns,置單片機(jī)引腳 1，即產(chǎn)生一個(gè)有效的 FQ_UD 上升沿信號(hào)，再延時(shí) 1ns 后，將 40 位的控制碼全部加常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 33 載到 AD9850 中的 DDS 頻率合成部分中，經(jīng)過(guò) 13 到 18 個(gè)周期后，就可以得到所需要的信號(hào)了。在 FQ_UD 端信號(hào)的上升沿將 40 位的控制字加載進(jìn)入相位累加器，并且將地址指針復(fù)位指向第一個(gè)數(shù)據(jù)輸入地址端。在并行數(shù)據(jù)輸入模式下， 40位的數(shù)據(jù)控制字經(jīng) 8位數(shù)總據(jù)線分 5次重復(fù)輸入。在此軟件工作時(shí)，首先由用戶從 4 4鍵盤輸入所需要的信號(hào)的頻率值，初始相位值，以及設(shè)定 AD9850 的工作模式。 (3)D36D32是相位調(diào)制碼，用來(lái)控制 AD9850的相位調(diào)制量。 AD9850 的數(shù)據(jù)輸入模式分為兩種：并行輸入模式和串行輸入模式。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 29 圖 41系統(tǒng)總體流程圖 系統(tǒng)初始化 及控制字寫入 系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)初始化主要是 在主程序中完成，主 要 包括 AD9850的初始化、單片機(jī)的初始化和 LCD的初始化。單片機(jī)完成鍵盤掃描程序判斷輸入的頻率相位值是否超出系統(tǒng)所限制的范圍，如果超出范圍則要重新輸入，沒(méi)有超出范圍單片機(jī)將輸入頻率值轉(zhuǎn)換成 AD9850 所需頻率 /相位控制碼，并將頻率值轉(zhuǎn)換為 BCD碼存在 RAM中，然后通過(guò) 89C51的 P2口 將頻率控制字送入 AD9850數(shù)據(jù)寄存器，通過(guò)串行輸出口輸出頻率值至 LCD驅(qū)動(dòng)電路，在相應(yīng)的輸出端就可以輸出相應(yīng)的信號(hào)波形，相應(yīng) 的頻率值也可以在 LCD上顯示。 本系統(tǒng)軟件由主程序模塊、按鍵處理模塊、波形產(chǎn)生模塊、液晶顯示模塊構(gòu)成。 圖 315 2和 3腳連接時(shí)，方波連接至三角波產(chǎn)生電路 圖 316 三角波產(chǎn)生電路 幅度 調(diào)節(jié) 的設(shè)計(jì) 選用高精度低噪聲 ,閉環(huán)增益大于等于 5，性能表現(xiàn)穩(wěn)定的 MAX437 芯片，常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 27 通過(guò)調(diào)節(jié)電位器 ,可以對(duì)信號(hào)輸出幅度起到調(diào)節(jié)的作用。 當(dāng) t=t1時(shí)： )/(4/ 1110 tURCTUUtU cmom ??? （ ） 在 t1和 t2區(qū)間： t t Ut Ut U1m U1m U1m T/2 T U1m 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 26 RC TUttRCURCUdtURCU mmmtt m 4)(41 111121 10 ??????? ? （ ） 當(dāng) t=t2是： )/(4/ 21120 tUURC TUtU cmm ????? （ ） 由上述公式可知在輸入方波的負(fù)半周和正半周期間，一條直線，斜率分別為1mURC 和 1mURC? ，因此輸出是三角波， 其正負(fù)峰值分別為 1mU 4RC 和 1mU4RC? 。 根據(jù)理論知識(shí)， 我們知道，將方波積分即可得到三角波。 通過(guò)比較各濾波器的幅頻特性，并結(jié)合系統(tǒng)要求，本文選用橢圓濾波器對(duì)DDS的輸出進(jìn)行濾波， 按照低通濾波器的理想分析方法，采用查歸一化濾波器手冊(cè)的方法設(shè)計(jì)出原始的 7階橢圓低通濾波器，確定元件值。 其中巴特沃斯濾波器通帶最平坦，它的通帶內(nèi)沒(méi)有紋波，在靠近零頻率處，常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 23 有最平坦通帶 ，趨向阻帶時(shí)衰減單調(diào)增大，缺點(diǎn)是從通帶到阻帶的過(guò)渡帶最寬，對(duì)于帶外干擾信號(hào)的衰減作用最弱，過(guò)渡帶不夠 陡峭，因此它適用于對(duì)通帶要求較高，而去除的頻率離通帶較遠(yuǎn)的情況； 切比雪夫?yàn)V波器在通帶內(nèi)衰減在零值和一個(gè)上限值之間做等起伏變化，阻帶內(nèi)衰減單調(diào)增大，帶內(nèi)有起伏，但過(guò)渡帶比較陡峭 ； 橢圓濾波器不僅通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)也有起伏，而且過(guò)渡帶陡峭。并行寫入方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)讀寫快，缺點(diǎn)是占用更多的 I/O 資源。 本設(shè)計(jì)顯示模塊是用來(lái)顯示鍵盤鍵入的頻率、相位值和頻率、相位 、波形名稱和單位 等字樣，故本設(shè)計(jì)選擇 LCD1602顯示器，與單片機(jī)連接電路如圖 39所示。 ② 字符的顯示 用 LCD顯示一個(gè)字符時(shí)比較復(fù)雜，因?yàn)橐粋€(gè)字符由 68 或 88 點(diǎn)陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個(gè)位置對(duì)應(yīng)的顯示 RAM區(qū)的 8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為 “1” ，其它的為 “0” ，為 “1” 的點(diǎn)亮，為 “0” 的不亮。如果根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來(lái)分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動(dòng)（ Static）、單純 矩陣驅(qū)動(dòng)（ Simple Matrix）和主動(dòng)矩陣驅(qū)動(dòng)（ Active Matrix）三種。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 20 （ 1）液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 19 圖 38 4 4矩陣鍵盤電路 按鍵號(hào) 功能定義 按鍵號(hào) 功能定義 S1 0 S9 8 S2 1 S10 9 S3 2 S11 A S4 3 S12 B S5 4 S13 C S6 5 S14 確認(rèn)鍵 S7 6 S15 * S8 7 S16 表格 31按鍵功能定義 顯示電路 在單片機(jī)系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面，除了需要鍵盤等輸入設(shè)備以外，一般還配有顯示輸出設(shè)備。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計(jì)算法或查表 法將閉合鍵的行值和列值轉(zhuǎn)換成所定義的鍵值。 P2口與 AD9850的 相關(guān)控制字寫入端口 相連，進(jìn)行串行控制，對(duì) DDS芯片寫入控制字，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的波形 輸出。在串行輸入方式， W_CLK 上升沿把 25 引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，當(dāng)移動(dòng) 40 位后，用一個(gè) FQ_UD 脈沖即可更新輸出頻率和相位。 AD9850 的控制字與控制時(shí)序 AD9850 有 40 位控制字， 32 位用于頻率控制， 5 位用于相位控制。 DAC 滿量程輸出電流通過(guò)一個(gè)外接電阻 setR 調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)關(guān)系為 setI =32()，常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 16 setR 的典型值是 ? 。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以輸出模式量。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。圖 35為其 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 。 VINN：轉(zhuǎn)換電平輸入，是比較器的反相輸入。 IOUT： DAC的模擬電源輸出。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 RESET：重新設(shè)置。 FQ_UD：頻率更新時(shí)鐘。 DVDD：數(shù)字電路電源。 RSET： DAC外部電阻 RSET連接處。 AD9850采用 CMOS 工藝，其功耗在 左右。 51 單片機(jī)的復(fù)位是由 RESET 引腳來(lái)控制的，此引腳與高電平相接超過(guò) 24個(gè)振蕩周期后， 51單片機(jī)即進(jìn)入芯片內(nèi)部復(fù)位狀態(tài)，而且一直在此狀態(tài)下等待，直到 RESET 引腳轉(zhuǎn)為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執(zhí)行芯片內(nèi)部的程序代碼，若為低電平便會(huì)執(zhí)行外部程序。 晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由 SYS參數(shù)確定（晶振上標(biāo)明的頻率）； 電容 C1和 C2的作用有兩個(gè)：其一是使振蕩器起振，其二是對(duì)振蕩器的頻率 f起 微調(diào)作用（ C C2大， f變小）。 MCS51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異， 典型值為 12MHz。 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 口： P3 口管腳是 8 個(gè)內(nèi)部帶上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè)TTL門電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P1口管腳寫入 1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 圖 23 DDS 波形輸出 第三章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 波形的產(chǎn)生與控制部分由 51 單片機(jī)與 DDS 芯片 (AD9850)組成，其中前者作為正弦波，常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 余弦波，方波的合成芯片，后者實(shí)現(xiàn)三角波的合成。 ④ 數(shù) /模轉(zhuǎn)換器（ DAC） DAC 的作用 是將幅度序列碼轉(zhuǎn)換為階梯波。那么只要選擇恰當(dāng)?shù)念l率控制字 M滿足 : 2out Ncf Mf ? （ 21） 就可以 得到 所需要的輸出頻率。 ② 相位累加器 相位累加器是由 加法器和反饋寄存器 兩部分組成的 ,其結(jié)構(gòu)如圖 21 所示 ,每一個(gè)參考時(shí)鐘信號(hào)脈沖 ,都會(huì)使作為相位增量的頻率控制字 M 進(jìn)入到相位累加器 ,并與之存儲(chǔ)的相位值相加 ,得到歸一化的相位值 ,再輸入正弦查表進(jìn)行查詢?？紤]到本設(shè)計(jì)的單片機(jī)的功能，本系統(tǒng)采用 最為常用的 51單片機(jī) 即 AT89C51 來(lái)作為控制模塊 （ 2）鍵盤和顯示模塊 本設(shè)計(jì)鍵盤 模塊 選擇 4*4鍵盤用來(lái)選擇 波形 相位、 頻率 值 ；顯示模塊 采用LCD1602， 主要是用來(lái)顯示波形的頻率等。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 6 系統(tǒng)組成 及工作原理 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)框圖如圖 所示， DDS 波形發(fā)生器主要由五大模塊 (單片機(jī)控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數(shù)字合成模塊、濾波模塊及運(yùn)放模塊 )組成。而且它還有一些優(yōu)點(diǎn)比如：成本低、性能較高，但是該方案無(wú)法達(dá)到論文設(shè)計(jì)的頻率要求。 設(shè)計(jì) 方案的選擇 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法一般有下面幾種： 方案一：利用分離元件組成的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，但基本上都是單函數(shù)發(fā)生器而且它有一些缺點(diǎn)比如：頻率不高，工作也不很穩(wěn)定，不方便調(diào)試。具有線路相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行細(xì)微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。同時(shí)，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令， I/O 口的邏輯操作指令以及位操作指令。其最明顯的優(yōu)勢(shì)就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中，這是其他計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)都無(wú)法做到的。新 一代的臺(tái) 式儀器有更多的特性，而且可以執(zhí)行更多的功能。現(xiàn)在函數(shù)信號(hào)發(fā)生器由臺(tái)式儀器和適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)的插卡以及新開發(fā)的 VXI模塊。而且可以使用一種非常有效的數(shù)學(xué)方程的輸入方式，那么即使是復(fù)雜的波形也可以由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式組合而成 ,就是 :v=f(t)的形式。 二十一世紀(jì)， 隨著 集成電路技術(shù)高速 發(fā)展，出現(xiàn)了很多工作頻率可以超過(guò)GHz的 DDS芯片， 推動(dòng)了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展，到 2022年， Agilent 公司生產(chǎn)的 33220A可以產(chǎn)生 17種波形，最高的頻率可以到 20M， 2022年生產(chǎn)的 N6030A可以產(chǎn)生 500MHz的頻率，采樣的頻率可達(dá) 。 這個(gè)時(shí)期的波形發(fā)生器大都以軟件為主，其實(shí)質(zhì)上是采用微處理器對(duì) DAC的程序控制，這樣我們就可以得到各種簡(jiǎn)單的波形。 70年代以前，信號(hào)發(fā)生器主要分為：正弦波信號(hào)發(fā)生器和脈沖波信號(hào)發(fā)生器，但是函數(shù)發(fā)生器處于兩類之間，它可以提供余弦波、正弦波、三角波、方波、鋸齒波、上弦波等常用的波形，產(chǎn)生 其它的波形時(shí)，則需要用到較復(fù)雜的電路加上機(jī)電結(jié)合的方法。 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展歷史 信號(hào)發(fā)生器作為一 種常用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器是完全由硬件電路搭接而成， 如用 555 振蕩電路 產(chǎn)生正弦波、三角波、方波鋸齒波的電路便是