【正文】 ..........................................................................................................30 附錄 2 主程序代碼 .....................................................................................................31 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 課題 背景 信號發(fā)生器 [1]，它是一種悠久的測量儀器， 最早出現(xiàn)于 十九世紀 20 年代 。 信號發(fā)生器 發(fā)展速度很慢 ， 因為 之前 信號發(fā)生器 的 結(jié)構(gòu) 繁瑣 ，電路 簡單， 而且 功耗比較大。那時 的信號發(fā)生器 幾乎都是依據(jù) 模擬 電路 原理來 實現(xiàn) 的 ，但是 模擬電路 漂移大 ，導(dǎo)致 輸 出 波形 幅度 的 穩(wěn) 定性 差 ，同時 模擬 電路 自身 也 存在著 一些缺點， 才使得 如果 想要 輸出的 信號波形 復(fù)雜多樣 ，就 必須把電路結(jié)構(gòu)設(shè)計的 非常復(fù)雜 。 而這 一 時期， 以 軟件為主 設(shè)計 的信號發(fā)生器 ， 能夠產(chǎn)生多種 簡單的波形。 如果想提高頻率 ，則 可以 通過 改進軟件程序 來 減少其執(zhí)行周期 的 時間或者 提高 CPU的時鐘周期， 但 是這些辦法是有局限性的，根本辦法還是要對 硬件電路 進行改進 。但 是 我們對于任何一種測量儀器都要 全方面的考慮其所適用的領(lǐng)域及其 性價比 。所以 完整的信號發(fā)生器的設(shè)計 還是有 重要的實踐意義和廣闊的應(yīng)用前景。由于 電子科學(xué) 技術(shù)的 快速 發(fā)展， 各方面的需要同時也要求它要有 越來越高 的性能 ，此外，很多時候還 需要兩路 的 正弦信號在 具有一樣 的頻率 的同時， 還要有 較為 明確 的相位差 值 。 隨著社會的發(fā)展，對 信號源 性能的要求也越來越高，不僅要 能產(chǎn)生 復(fù)雜多樣 的波形 ，而且還要 有 體積小、 操作靈活、 可靠性高 ， 因此 要實現(xiàn) 制作出 高性能的信號源， 必須在原有的基礎(chǔ)上 進行技術(shù)創(chuàng)新 。 DDS 技術(shù) ，即 直接數(shù)字頻率合成技術(shù) ，這是一種 把數(shù)字信號處理技術(shù) 引用到信號 數(shù)字頻率 合成領(lǐng)域的一項 新的 技術(shù) ， 這使得 再次提高 輸出 信號 頻率 的 穩(wěn)定 度提供了 可能 。 DDS 技術(shù)的出現(xiàn)引發(fā) 了頻率合成 技術(shù)領(lǐng)域的一次重要的 革命。 由于 數(shù)字 電子 電路的 快速 發(fā)展以及對 直接數(shù)字頻率合成 技術(shù) 的深入研究， 使得 DDS 信號發(fā)生器 的最高 輸出 頻率 已接近 達到 和 鎖相頻率合成器 差不多 的水平。 如今， DDS 技術(shù) 現(xiàn) 在已經(jīng) 廣泛應(yīng)用于 整個社會的電子電氣領(lǐng)域，例如 通訊、雷達 、電子對抗還有現(xiàn)代化 的 儀器儀表工業(yè)等 其他 領(lǐng)域。 隨著電子科學(xué) 技術(shù)的發(fā)展 ， 各方面的需求對信號源頻率在其 穩(wěn)定度、準確度以及頻譜純度等方面 要求 也 越來越高。 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 2 章 DDS 簡介 DDS 結(jié)構(gòu) 1971 年， 由 美國學(xué)者 “A Digital Frequency Synthesizer”一文 中，首次提出了憑借 全數(shù)字技術(shù)，從相位 概念作為出發(fā)點的 直接合成所需 要 波形的一種新 的設(shè)計 組成原理。近幾年間，由于 微電子技術(shù)的迅速發(fā)展， 使得 直接數(shù)字頻率合成器（ Direct Digital Frequency Synthesis 簡稱 DDS 或 DDFS） [3]也得到了快速的發(fā)展。 這些優(yōu)越性 具體體現(xiàn)在相對帶寬、 頻率分辨率高、 頻率轉(zhuǎn)換時間短 、輸出相位連續(xù)、能夠 產(chǎn)生寬帶正交信號 以 及其他多種調(diào)制信號，而且能編程和全數(shù)字化，在控制方面也能做到靈活方便，同時 具有極高的性價比。 DDS 技術(shù) 是以相位概念作為出發(fā)點的 直接合成所需 要波形的一種新的 頻率合成技術(shù)。 DDS 的原理 圖如下 框圖 所示 ： 圖 21 DDS 原理框圖 如上圖所示 ， 相位累加器 是由 時鐘 頻率 fc 控制，累加 頻率控制字 長 K， 同時還有加上 輸出的 N 位二進制碼和波形控制字 W、 相位控制字 P，這些 相加 以 后 的相位累加器 加法器 波形存儲器 D/A LPF 頻率控制字 K 相位控制字 P 波形控制字 W 參考信號 fc N 位 Sn St 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 結(jié)果 作為波形 存儲器 ROM 的地址。 波形存儲器中所存放的幅度碼 決定了 輸出 信號 的 波形 形狀 ， 所以 通過改變 ROM 中 幅度碼的 值， DDS 能夠 產(chǎn)生 所需的 任意波形。 頻率預(yù)置與調(diào)節(jié)電路 K 是 頻率控制字， 同時它 也叫相位增量。 在 K=1 時，輸出 的 頻率為 fc/2， 此時頻率最低， 但是 DDS 最大 的 輸出頻率 是 由 奈奎斯特 采樣定理 所 決定 的 ，即 K 最大取值2n1 時，輸出頻率最高 。 因此通過 改變 頻率 控制字 K 的值 ，就能夠改變 DDS 的輸出頻率 。 最后 ROM 會把相位累加 器在前面 一個時鐘 脈沖 作用下 所得到 的結(jié)果 繼續(xù)與頻率控制字 相加。 寄存器 頻率控制字 相位 量化序列 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 控制相位和控制波形的加法器 改變相位控制字 P 的大小 可以控制輸出信號的相位參數(shù) 的變化 。 同樣地， 通過改變波形控制字 W的大小也 可以控制輸出信號的波形 形狀。 波形存儲器 波形存儲器 [3]工作 原理 是把 相位累加器輸出的數(shù)據(jù) ，用來作為波形存儲器 取樣 的 地址， 從而進行波形的相位一幅值轉(zhuǎn)換，也就是 波形 抽樣幅值 能在一定的時間內(nèi)確定出來 ?！?360176。如果 D 位數(shù)據(jù)位在 波形 存儲器 ROM 中 ， 那么 波形存儲器 ROM 中 2N 個 采 樣值 幅值 D 位二進制 的 數(shù)值 就會 被 固化 ， 因此， 不同的地址就 可以得到 相應(yīng) 的相位 不同 正弦信號的幅值，其原理圖入下圖所示： 圖 23 相位 — 幅度變換原理圖 D/A 轉(zhuǎn)換器 D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它是 將合成 正弦波 的 數(shù)字量轉(zhuǎn)換成 為 模擬量。這也是數(shù)字頻率合成器對 D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器分ROM (波形存儲器 ) 相位量化序列 地址 波形幅度量化序列 （數(shù)據(jù)） 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 辨率的要求。f 0 處的非諧波分量，幅值包絡(luò) 稱為辛格函數(shù) 。 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 3 章 系統(tǒng) 整體設(shè)計方案 系統(tǒng)設(shè)計原理 本 次 設(shè)計 采用 DDS 技術(shù) 作為信號發(fā)生器 設(shè)計制作核心技術(shù)的 方案，是要求 設(shè)計出的系統(tǒng) 能夠 輸出可 改變 的信號波形類型，還要有能夠輸出可以 通過 數(shù)字控制來改變大小 的 信號幅度和 信號頻率 。 本系統(tǒng)主要由單片機 AT98S5 DDS 模塊 、 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 等部分組成。鍵盤輸入的數(shù)字信息經(jīng) 過 AT89S52 控制的 LCD1602 來 顯示。單片機 是在一塊硅片上集成了 中央處理器 CPU、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、程序存儲器 ROM、定時器 /計數(shù)器以及多種 I/O 接口電路 等多種部件的微型計算機 。其的主要性能有 ： 能夠和 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容； ，一個全雙工的串行通信口 ； 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲器 ， 3 級安全保護 ； 擁有 1000 次 的 擦寫周期 和 256 字節(jié)的內(nèi)部 RAM， 另外還 有 5 個中斷源 ，使其 能夠在斷電的情況下 執(zhí)行中斷 操作。 AT89S52 功能特性描述 AT89S52[6]單片機 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器， AT89S52 具有以下的標準功能： 8k 字節(jié)的可編程 ROM、 256 字節(jié)的 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 向量的 2 級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工的串行口、單片機內(nèi)部的晶振和時鐘電路。 在每一個口中都有一個鎖存器，一個輸出驅(qū)動和兩個輸入緩沖器。單片機 上 Flash程序存儲器 允許 系統(tǒng)可編程，也能用于 常規(guī) 的 系統(tǒng) 編程器。 此外 ， AT89S52 能夠降低到 0Hz 進行 靜態(tài)邏輯操作， 同時還 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式 。 數(shù)據(jù)儲存器的 內(nèi)容 在 掉電保護方式下被保存，振蕩器 也在此時 被凍結(jié)，單片機停止 工作， 直到下一個中斷或硬件復(fù)位單片機才重新開始工作 。 P0 口作為輸出口時， 寫入 的 數(shù)據(jù)信號 輸送到 觸發(fā)器的 CP 端，數(shù)據(jù)寫入鎖存器，并 從 端口 的 引腳輸出。 P1 口基本上 是 用來 作為通用 I/O 口使用的，所以 其和 P0 口在電路結(jié)構(gòu)上有一些不同之處：第一點 它不再需要多路轉(zhuǎn)換電路 MUX；第二點 是 其 電路的內(nèi)部 結(jié)構(gòu)由上拉電阻和場效應(yīng)管一起組成輸出驅(qū)動電路。 另外把 P1 口浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 作為輸入 口 使用時， 與 P0 口有相似之處， 也 一定要先向電路中的鎖存器寫入控制字 “1”，使輸出驅(qū)動電路的 FET 截止。通常情況下， P2 口是作為高位地址線使用的，此時多路轉(zhuǎn)換電路開關(guān)應(yīng)倒向相反方向。 而 P2 口 作為輸入使用時，由于內(nèi)部電阻的原因， 被外部拉低的引腳將會 輸出電流。 P3 口能適應(yīng)引腳信號第二功能 的需要，增加了第二功能控制邏輯。當(dāng)輸出第二功能信號時，鎖存器要寫入 “1”，使與非門對第二功能信號的輸出通暢，借以實現(xiàn)第二功能信號的輸出。不管是在 P3 口作為輸入口使用時還是在第二功能信號輸入時，輸入電路中的鎖存器輸出和第二功能輸出信號線都應(yīng)保持高電平。 （ 3）電源及 VCC(40 腳 )：電源端 +5V； GND(20 腳 )：接地端； XTALl、XTAL2(19～ 18 腳 )： 時鐘電路引腳。 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 時鐘電路 圖 42 時鐘電路 圖 單片機的 時鐘電路 [7]如上圖所示，它 是用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號， 而 單片機 其本身就是 一個復(fù) 雜的同步時序電路。在 單片機AT98S52 的內(nèi)部有一個很大 增益反相放大器，其輸入端的引腳 是 X1，其輸出端為引腳 是 X2。 在 一般 情況下 ，電容 C1 和 C2 大約 取 30pf，晶振的振蕩頻率范圍是 ~12MHz，我們 取 。 單片機復(fù)位是使 CPU和電路中的其他功能都處于一種確定的初始狀態(tài)。 按鍵電平復(fù)位電路是在 RC 復(fù)位電路的基礎(chǔ)上接一個有 下 拉電阻 10K、上拉電容 10uf 接 VCC， 電源由開關(guān)連接到復(fù)位引腳并和上拉電容并聯(lián)。電路圖如下圖所示： 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 43 復(fù)位電路 圖 按鍵控制模塊 圖 44 鍵盤控制電路 圖 通過鍵盤 輸入控制字 對波形頻率的輸出進行控制 ,其電路圖如上圖所示 。 浙江科技學(xué)院信息與電子工程學(xué)院 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 LCD 顯示模塊 在 本設(shè)計中用 的 液晶顯示器 [9]是 LCD1602。如圖為 LCD1602： 圖 45 LCD1602 引腳圖 1602 采用的是標準 16 腳接口，其中： 第 1 腳： VSS 為接地引腳 第 2 腳： VCC 接 5V電源 正極 第 3 腳： V0 為液晶顯示器調(diào)整對比度的引腳，其接入電源正極時對比度最弱，接地時對比度最高，同時可以接入一個 10K 的電阻調(diào)整對比度。在 高電平時選擇 數(shù)據(jù)寄存器 ，在 低電平時選擇 指令寄存器 。 第 6 腳： E(或 EN)端為使能端 引腳，高電平 時讀取信息，負跳變時執(zhí)行指令。 第 15～ 16 腳：背 景 燈電源 引腳 。 AD9850 與單片機連接模塊 AD9850 簡介 近幾年來， 由于 迅 速發(fā)展 的數(shù)字技術(shù) ,DDS 技術(shù)也發(fā)生了日新月異的變化 。 AD9850 的最高時鐘為 125 MHz、采用先進的 CMOS 技術(shù) [10]的直接 頻率 合成器，主要由可編程 DDS 系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器 和高速 比較器 3 部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控 制的 頻率 合成。 1234567891011121314 1516171819202122232425262728D 3D 2D 1LS B D 0DGNDDVDOW _ CLKFQ UDCLKINAGNDAVDDRS ETQOUTQOUTBD 4D 5D 6D 7 MSBDGNDDVDORES ETI O