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首页基于DDS芯片ADC9850控制的函数信号发生器\A组基于DDS芯片ADC9850控制的函数信号发生器
直接数字合成(DDS)是一种重要的频率合成技术,具有分辨率高、频率变换快等优点,在通信等领域有着广泛的应用前景。本系统采用直接频率信号合成器(DDS)AD9850与STC89S52单片机相结合的方法,以AD9850为频率合成器,以单片机为进程控制和任务调度的核心,设计了一个信号发生器。实现了输出频率在10HZ~20MHZ范围可调,输出信号频率稳定度优于10-3的正弦波、方波和三角波信号,输出信号无明显失真。本文给出了AD9850芯片和STC89S52单片机的硬件组成原理框图、单元电路分析及软件流程,并通过严格的实测数据分析圆满完成了本设计任务。
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信号发生器
摘要:直接数字合成(DDS)是一种重要的频率合成技术,具有分辨率高、频
率变换快等优点,在通信等领域有着广泛的应用前景。本系统采用直接频率信
号合成器(DDS)AD9850 与 STC89S52 单片机相结合的方法,以 AD9850 为频率
合成器,以单片机为进程控制和任务调度的核心,设计了一个信号发生器。实
现了输出频率在 10H
Z
~20MH
Z
范围可调,输出信号频率稳定度优于 10
-3
的正弦
波、方波和三角波信号,输出信号无明显失真。本文给出了 AD9850 芯片和
STC89S52 单片机的硬件组成原理框图、单元电路分析及软件流程,并通过严格
的实测数据分析圆满完成了本设计任务。
关键词:DDS, 单片机, 信号发生器, 设计
1. 系统设计
1.1 设计思路
本系统设计从信号发生部分着手,根据题目的要求,采用不同的方案实现信
号的发生。产生的信号既要能达到题目中的基本输出要求,又要能满足发挥部
分的要求。整个系统采用模块化的设计,便于调试与查错。
1.2 信号发生器实现的方案选择与论证
方案一
如图 1.1 所示,本方案由双稳态触发器产生方波信号,用积分器将方波信
号变为三角波,用函数变换网络(如二极管整形网络)将三角波变换成正弦波信
号,各种信号通过各自独立的输出电路同时输出,或使用同一输出电路通过选
通开关实现信号的选择输出。
图 1.1 原理框图
方案二
如图 1.2 所示,本方案采用专用函数信号发生器芯片 ICL8038。由该芯片构
成的振荡器电路结构简单,能同时产生正弦波、方波和三角波三种信号。调试
容易,且输出频率与外加电压成正比,较易实现程控。键盘与单片机结合可以
调节 ICL8038 的输出频率,能实现频率的细调和粗调。另外由于 ICL8038 输出
为电流输出,为满足达到 5V 的电压输出,外接运算放大器进行放大,再经过
数字电位器分级衰减输出。其峰-峰值转换成真有效值后,再通过 AD 转换,送
单片机处理,并用 LCD 显示出来。输出信号的频率通过分频送单片机的计数端
口,经过程序处理显示出频率值。
·1·
图 1.2 ICL8038 信号发生器原理框图
方案三
如图 1.3 所示,本方案运用 DDS 芯片 AD9850 产生信号,辅以 单片机
STC89S52 为主的主控电路构成信号发生器。单片机通过程序处理 AD9850 的
32 位频率控制字,控制 AD9850 输出信号的频率大小。AD9850 输出的正弦波
经外围电路回送到 AD9850 的内部比较器,输出方波。方波又经积分电路积分 、
放大电路放大,输出三角波。三路信号通过继电器选通输出。正弦波的峰-峰值
经过真有效值转换(AD6371)、A/D 转换后送单片机处理,并显示。LCD 作为
整个电路的显示部分,能显示信号的类型、幅度、频率和频率步进值。
图 1.3 DDS 与单片机结合信号发生器原理框图
方案选择:以上方案均能实现信号的产生。但是方案一的电路结构简单,
且过多采用分立元件和小规模 IC,不易实现程控,调试困难。而 ICL8038 的
三种波形信号输出信号频率范围较窄,难以实现步进调节,达不到题目中发挥
部分的要求。利用 DDS 技术容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信
号,而且输出频率范围宽,相位噪声低,信号纯度较高。
综上所述,本设计采用方案三。
2. 单元电路的简析
2.1 信号产生电路
·2·
AD9850是一个基于DDS技术推出的高集成度DDS频率合成,它由可编程
DDS系统、正弦查询表、高性能的DAC及高速比较器组成,AD9850工作于并
行方式下,通过8位数据总线D0~D7来完成全部40位控制数据的输入。复位
信号RESET有效状态下,输入数据地址,指针指向第一个输入寄存器,W_CLK
上升沿写入第一组8位数据,并把指针指向下一个输入寄存器。连续五个
W_CLK上升沿后,即完成全部40位控制数据的输入。当FQ_UD上升沿到来时,
40位数据从输入寄存器锁存到频率和相位锁存器,从而更新DDS的输出频率和
相位。
AD9850 频率输出的一般表达公式为: (式 1)。式中, k 为频率码,是
个 32 位的二进制值,可写成: (式 2)
式中,A31,A30,…,A1,A0。对应于 32 位码值(0 或 1)。为便于看出频率码的
权值对控制频率高低发影响,将(式 1)代入(式 2)得:
(式 3)
按 AD9850 允 许 最 高 时 钟 频 率 fc=125MHz 进 行 计 算 , 当 A0=1 , 而
A31,A30…,A1,均为 0 时,则输出频率最低,本系统选用的是 40MHz 的参考时钟频
率(fc),也就是 AD9850 输出频率分辨率为:
当 A31=1,而 A0,A1,…,A30 均为 0 时,则输出频率最高为:
AD9850 采用32位的相位累加器将信号截断成8位输入到正弦查询表,查
询表的并行输出8位数据直接送到DAC,DAC再输出两个互补的电流。将DAC
的输出经低通滤波后接到AD9850内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动
很小的方波。然后将方波信号,送到积分电路中即可得三角波信号。
2.2 主控电路
主控电路以单片机为进程控制和任务调度的核心,辅以外围电路构成。 其
主要用于对键盘输入的波形和频率选择等数据进行处理,计算出相应的控制参
数,控制频率合成器的输出频率、幅度,并将其频率、类型、幅度等信号的参
数用数字或者汉字的形式在 LCD 上显示出来。
由于 STC89S51 单片机引脚资源有限,在设计中将部分端口进行了扩展。
键盘电路、频率范围显示、AD9850 接口电路、数字电位器及 CD4051 电路和
LCD 电路同 74HC573、74HC164 和 74HC245 实现扩展。
键盘电路选用的是 4*4 矩阵键盘。程序使得它能实现对输出频率的预置,
能步进调节频率和正弦信号的幅度,还能对输出信号类型进行选择。预置的频
率 范 围 为 10Hz~20MHz 。 频 率 在 10Hz~1kHz 范 围 内 步 进 间 隔 为 10Hz , 在
1kHz~1MHz 范围内步进间隔为 1kHz。幅度调节范围为 0~5V,步进间隔为
·3·
0.1V。
为了充分发挥芯片的高速性能和节约单片机资源,本设计AD9850选择了并
行方式。
2.3 显示电路
显示电路选用的是字符型 LCD12864。与传统的 LCD 相比,12864 可以显示
汉字和图像,且显示的内容多,电路结构简单,占用单片机资源少等优点。本
系统用它能同时显示信号的类型(汉字显示)、频率的大小、步进值和正弦波
的峰-峰值。
2.4 其他电路
(1)放大电路、低通滤波电路和积分电路。放大电路主要是由高速运放
AD811 构成。通过放大电路对正弦波的幅度进行放大,以达到题目所需要的效
果。考虑到 AD9850 的输出信号中带有 120mV 的直流分量和高频谐波分量,通
过在输出端加入隔直电容和 20MHz 滤波器输出平滑的正弦波。积分电路则是把
AD9850 输出的方波进行积分,通过单片机控制数据选择器 4051 选择不同的积
分电容来实现不同频率的三角波输出。
(2)信号选择电路。本系统的设计每次同时只能输出一种信号,而实际上有
三种信号,所以使用继电器对信号进行选择导通。
(3)正弦波峰-峰值检测电路。在放大后的正弦波输出端取出信号通过集成
真有效值转换器 AD637 进行峰-峰值检测,然后用 AD0804 进行 A/D 转换送单
片机处理,用 LCD 显示出正弦波的峰-峰值。
(4)电源电路部分:市电经过变压器得到 12V 交流电,然后经过二极管组
成的桥式整流电路和电容滤波后,得到平滑的直流电,然后经过集成稳压块
7805、7905、7812、7912 分别得到+5V、-5V、+12、-12 四路稳定的直流电压
输出为整机提供电源。
3. 软件部分简介
·4·
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fengmiao19881017
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