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五、测试方案与测试结果12
1.测试仪器12
2.调试方法12
3.测试数据12
4．测试结果分析13
六、特色与创新点讨论13
七、结束语14
参考文献1
附录1原理图2
附录2源程序3
摘要：
本设计实现了一个基于DDS芯片AD9833，运用单片机AT89S52进行控制的波形发生器，可以产生正弦波、方波和三角波。
系统由键盘输入模块、单片机控制模块、波形产生模块、衰减网络模块、程控放大模块和液晶显示模块等电路组成。
在单片机系统的控制下，通过键盘可以选择输出波形的种类，其频率和幅度连续可调，并通过LCD液晶显示。
由DDS专用芯片AD9833产生的正弦波、方波和三角波，波形稳定，频率稳定度高。
由可编程宽带放大器AD063进行幅值放大，实现了幅值的线性可调。
经测试，整机功能齐全，输出的波形稳定，没有明显失真，频率稳定度、频率范围、幅值、步进值均达到且超过了基本要求。
另外，本系统还实现了20db和40db两档衰减选择。
关键词：
AT89S52单片机、DDS、波形发生器Abstract:
Thisdesignisrealizedonebasedonsingle-chipprocessorisusedAD9833DDSchip,thewaveformgeneratorAT89S52control,canproducesinewaveandsquare-waveanddeltawaves.Systemconsistsofakeyboardinputmoduleandsingle-chipmicrocomputercontrolmodule,waveformmodule,attenuationnetworkmodule,program-controlledamplifiermoduleandLCDmodulecircuitcomponent.IntheSCMsystemunderthecontrolofthekeyboardcanchoosethetypeofoutputwaveform,thefrequencyandamplitude,andthroughcontinuousadjustableLCD.ProducedbyAD9833DDSspecial-purposechipthesinewaveandsquare-waveandtrianglewave,waveformstability,highfrequencystability.AD063byprogrammablebroadbandamplifierforamplitudemagnification,realizedtheamplitudeofthelinearadjustable.Bytest,thecompletefunctionandtheoutputwaveformstable,noobviousdistortion,frequencystability,thefrequencyrange,amplitude,steppingvaluereachedandmorethanbasicrequirements.Inaddition,thesystemalsorealized20dband40dbtwogearsattenuationchoice.
Keywords:
AT89S52SCM、DDS、WaveformGenerator
一、引言
1.设计任务
设计并制作一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波。
2.基本要求
（1）信号发生器能产生正弦波、方波；
（2）输出信号频率在100Hz～100kHz范围内可调；
（3）在1k负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在0～5V范围内可调；
（4）输出信号波形无明显失真；
频率稳定度：
10-4；
（5）可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值。
3.发挥部分
（1）将输出信号频率范围扩展为1Hz～1MHz，输出信号频率步进间隔最小为1Hz；
输出信号频率值可通过键盘进行设置；
（2）能产生双路信号，双路信号间相位可调；
（3）在50负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在0～5V范围内可调，调节步进间隔为0.1V，输出信号的电压值可通过键盘进行设置；
（4）其他。
二、方案论证与比较
1.信号产生部分
方案一：
采用采用模拟分立元件或单片压控函数发生器。
采用模拟分立元件或单片压控函数发生器（如8038），可以产生频率0.1HZ-20MHZ可变化的正弦波、方波、三角波及实现数控频率调整。
但是它是通过控制电压来实现频率调整的，所以在频率控制方面很难达到比较精确的步进，且其输出频率的稳定度低，抗干扰能力差，频率的步进长度难以达到理想的结果。
方案二：
采用ARM与FPGA结合方式实现频率合成。
通过ARM将频率控制数据传输给FPGA，FPGA作为数据转换桥梁，通过高速D/A转换器和高速运放得到所需波形，这种方案从理论上来讲具有最大的灵活性，既能方便地调节输出频率和幅度，也能够任意改变输出波形，对将来产品的升级换代带来很多好处。
但大规模的FPGA与ARM价格较高，在比赛限定的时间内要实现其功能，编程难度大。
方案三：
采用锁相环频率合成方案。
利用锁相环将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要的频率上，这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要的频率信号，抑制杂散分量，并且避免使用大量滤波器，易于集成化和小型化。
但是锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，频率转换时间长，而且用模拟方法合成的波形，其参数难以控制。
方案四：
采用直接数字频率合成（DDS）。
DDS技术具有输出频率相对较宽，频率转换时间极短，频率分辨率、稳定度高，全数字化结构，频率、相位均可实现程控等优点，目前得到广泛应用。
题目要求产生高稳定的正弦波、方波等波形，因此采用专用的DDS芯片AD9833，AD9833可以直接产生正弦波、方波、三角波等常见波形，用单片机改变控制字可以方便地控制不同的波形输出。
综上所述决定选择方案四来实现题目要求，可以产生正弦波、方波、三角波，输出频率可以达到1HZ—1MHZ，频率稳定度较高。
2.幅度调节部分
采用单一增益的电压放大电路，要改变放大倍数，需采用切换外部电阻的方式。
这种方式每一种增益都需要一套不同的电阻，因此只能采用有限的几种增益，电路结构和切换过程都比较复杂，而且切换速度慢，使用也不方便；
切换不同的电阻还可能使放大器的输入阻抗发生变化，从而影响精度。
采用倒T形电阻网络进行幅度调节。
这种方案控制起来容易，输出步进值只和倒T形电阻网络的阶数相关，通过增加倒T形电阻网络的阶数来提高幅度调节的精度，但此方案电路相对比较复杂。
采用可编程放大器AD603，AD603是一种低噪声且由电压控制的增益放大器。
提供精确的、可由管脚选择的增益，且是线性变化的，在温度和电源变化时有很高的稳定性。
因此采用方案三，实现幅值的线性可调，完全可以满足题目要求。
3.键盘输入选择
本系统需要操作者预置波形类型、波形幅度、信号频率、步进值等信息，并且需要随时输入参数来调整波形，所以需要稳定快捷的输入设备。
采用矩阵式键盘输入。
将I/O口接成4×
4行线和列线，按键跨接在行线和列线上，这样可以节省I/O口资源，适用于按键较多时采用，可以避免I/O口资源紧张问题。
为了提高单片机的资源利用率，按键部分使用8279扩展键盘，2×
8键盘通过8279与单片机连接，电路复杂。
采用独立键盘输入。
这种方案电路简单，稳定度高，容易扩展，操作简便，但是占用I/O口和CPU资源太多，因此这种接法只适合于按键较少时使用。
根据题目要求，输出信号频率类型、频率值和频率步进、幅度步进可以通过键盘进行设置，因此选择方案一，即采用矩阵式键盘输入。
4.界面显示部分
数码管显示，由于本题要求实时输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值等，而数码管不能显示字符。
LED点阵显示，LED点阵显示虽然能显示字符和数字，但显示位数太多电路比较复杂，效果不好，且编程比较复杂。
LCD液晶显示，LCD液晶不仅能显示字符和数字，而且显示效果美观大方，含信息量大，编程控制相对比较繁琐。
为了使人机界面更人性化，界面显示部分采用LCD12864液晶显示。
5.系统总体设计
根据以上方案论证和比较分析结果，结合本例设计要求，采用如图1所示的系统总体设计方案完成本设计。
该系统的总体结构分为控制电路、信号产生电路和信号处理电路三大部分。
控制电路包括以单片机AT89S52为核心，加上一些外围控制电路，主要完成信号选择及其主要参数存储、显示、控制，并完成与AD9833、AD603之间的数据通讯等功能；
信号产生电路由AD9833芯片，产生数字波形信号；
信号处理电路则由可编程控制放大器AD603控制幅度输出，结合D/A转换器完成所需波形的输出，控制幅度调节、衰减网络控制，外围电路主要包括矩阵键盘输入控制、并口液晶显示和电源等。
图1系统设计框图
系统工作时，首先通过单片机键盘输入波形选择命令和信号频率、幅度等参数，然后将要输出波形的控制参数送入AD9833芯片，由AD9833芯片完成DDS波形合成功能，并将波形幅度数据送到D/A转换器，其输出送入衰减网络，再通过AD063和由8050、8550构成的推挽放大器进行放大，以实现输出波形幅值的控制，从而完成波形的输出，并在LCD12864显示。
系统采用单片机预置和控制放大器增益的方法，大大提高了系统的精度和可控性；
后级放大器使用对管推挽互补输出驱动，提高了带负载能力。
三、系统电路设计与分析
1.单片机最小系统模块
单片机最小系统详细原理图如图2所示。
AT89S52单片机的时钟信号可以由两种方式产生：
内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式。
它是利用单片机芯片内部的振荡电路实现的，此时需要单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接定时元件。
定时元件一般用晶体振荡器和电容组成并联谐振回路，电容C1和C2一般取30pF，主要作用是振荡器起振，晶体的振荡频率范围在1.2~13MHz。
晶体振荡频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机运行速度也就越快。
单片机的复位可以由两种方式产生：
上电复位和按键复位，本设计采用将上电复位和按键复位整合在一起的复合复位做法。
单片机最小系统除了包含复位电路和时钟电路余外，还必须考虑EA/Vpp管脚的高低电平。
EA=1时，CPU从片内ROM开始读取指令，故直接将31脚接高电平。
图2单片机最小系统原理图
单片机控制电路是整个放大器控制的核心部分，它主要完成以下功能：
接收用户按键信息以控制增益；
对ad603的增益控制电压进行控制，键盘模块记录用户对键盘的操作，将设定的频率、频率步进和幅度的值实时记录下来。
2.键盘输入模块
考虑到避免I/O口资源紧张问题，键盘输入模块选择4*4矩阵键盘作为输入控制方式，将P3口接成4*4行线和列线，按键跨接在行线和列线上。
矩阵键盘原理图如图3所示。
图3矩阵键盘原理图
4*4矩阵键盘主要完成了以下任务
（1）波形选择控制:
正弦波、方波和三角波；
（2）频率步进设置：
1HZ10HZ100HZ1000HZ10000HZ100000HZ五个档位设置；
（3）频率设置：
输出信号频率值可直接通过键盘进行设置,且有单位选择功能；
（4）幅度步进设置：
0.1V；
（5）幅值加减设置：
可以直接对信号进行幅值加减；
（6）幅值设置：
输出信号幅度值可直接通过键盘进行设置；
3.LCD液晶显示模块
人机界面选用LCD液晶显示，它是一种图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及128×
64全点阵液晶显示器组成。
不仅能显示数字和字符，还可完成汉字显示，其硬件原理图如图4所示。
图4液晶显示模块
液晶显示模块使得人机界面更加人性化，不仅可以更好的预制和设定波形、频率、步进、还可以将预制的频率、频率步进和幅度的值实时显示出来。
4.信号产生模块
DDS基本原理是将正弦波形一个周期离散样点的幅值数字量存ROM（或RAM）中，按一定的相位增量读出，由D/A转换成模拟正弦信号，经过低通滤波，滤除D/A带来的小台阶和数字电路产生的毛刺，即可获得所需要的正弦波形。
DDS专用模块AD9833正是基于DDS的这一基本原理，在一块芯片内含一个采用28位相位累加器的数值控制的振荡器、一个正弦ROM以及一个10位数/模转换器。
AD9833是ADI公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器,能够产生正弦波、三角波、方波输出，输出幅值为0.6V。
输出频率和相位都可通过软件编程,易于调节。
频率寄存器是28位的,主频时钟采用25MHz时,精度为0.1Hz;
可以通过3个串行接口将数据写入AD9833,这3个串口的最高工作频率可以达到40MHz,AD9833的工作电压范围为2.3V～5.5V。
AD9833还具有休眠功能,可将未使用的部分休眠,减少该电流损耗。
其原理图设计如图5所示。
图5AD9833信号发生原理图
5．D/A转换电路
D/A转换电路采用DAC0832来设计，DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。
如图6所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。
图6DAC0832内部结构图
运算放大器输出的模拟量V0为：
由上式可见，输出的模拟量与输入的数字量（
）成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。
将VO设置为2V时，对并口进行程序设计控制。
输入寄存器工作在直通状态，DAC寄存器工作在锁存状态。
D/A转换电路设计原理图如图7所示
图7D/A转换电路
6．输入缓冲电路与衰减网络电路
输入缓冲电路使用AD811进行电压跟随，增加输入阻抗，同时减小输出阻抗，中间级使用电阻分压和按键开关构成直通、20db、40db衰减三档。
输入缓冲电路与衰减网络电路设计原理图如图8所示。
图8输入缓冲电路与衰减网络电路
7．增益可控放大控制电路及对管推挽驱动电路的设计
电压增益控制放大电路采用可编程宽带增益放大器件AD603，结合AD811宽带放大来实现，如图9所示。
放大器增益取决于增益控制电VG。
GPOS固定为2.0V,由D/A转换器输出的控制电压输出到GENC，改变1脚和二即可实现连续线性增益控制。
AD603由无源输入衰减器、增益控制界面和固定增益放大器三部分组成。
加在梯型网络输入端（VINP）的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的电压决定。
增益的调整与其自身电压值无关，而仅与其差值VG有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ，当VOUT和FDBK两管脚的连接不同时，其放大器的增益范围也不一样。
当脚5和脚7短接时，具有dB线性可变增益控制放大器150MHzBW。
AD603可利用外置电阻器在-10dB（1V/V）至30dB（100V/V）的范围内设置最大增益；
在dB/V或V/V的线性增益间进行选择；
只需要一片AD603就可以多信号放大到需要的3V以下的线性调节。
这时的增益范围在-10～30dB，输出的电压增益为40Vg+10。
然后通过AD811进行放大，这样实现了0-6V的幅度调节（题目要求0-5V）。
图9增益可控放大控制电路及对管推挽驱动电路
8．电源模块
本设计需要多路电源，集成DDS芯片的工作电压和单片机的工作电压为+5V，AD603需要+5V和-5V双电源供电，采用7805、7905分别输出+5V、-5V的电压以满足以上需要。
采用7812、7912分别输出+12V、-12V电压提供给AD811需要+12V和-12V双电源供电。
如图10所示为正负12V电源电路。
图10正负12V电源电路
四、系统软件设计与分析
1．总体软件设计
系统总体软件设计很好的实现了各项设计功能和技术指标要求，其总体设计流程如图11所示。
本系统的软件设计采用C语言编写，在KeilC软件环境完成对51单片机系统的开发，软件设计实现了波形类型的选择、频率的控制、电压输入、频率步进值和电压步进值的设定,显示部分可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值。
图11系统总体流程图
2.模块软件分析
模块子程序设计主要包括12864液晶显示模块子程序的设、AD9833模块子程序设计以及键盘输入控制子程序设计。
图1212864液晶显示模块子程序设计图13AD9833模块子程序设计
图14键盘输入控制模块子程序设计
五、测试方案与测试结果
1.测试仪器
序号
名称、规格
数量
1
数字存储示波器（100M）
4
数字万用表
2
通用模拟示波器（30M）
5
高频信号发生器
3
函数信号发生器（2M）
6
可调式直流稳压电源（0～18V）
2.调试方法
（1）单片机控制键盘输入的液晶显示与信号产生部分调试
将程序下载至单片机，测试是否正常工作。
通过控制键盘输入，观察液晶显示模块内容。
有频率、频率步进、幅值等显示内容。
（2）信号产生部分调试
主要通过改变频率和频率类型控制字，观察输出波形类型和频率。
（3）D/A转换电路的调试
通过按键改变幅值，用数字万用表监测参考电压输出。
（4）程控放大部分调试
采用可调式直流稳压电源，2号管脚调节电压为2.0V。
调节改变AD603的1号管脚的电压，从而改变AD603增益控制电压VG，观察输出波形的增益控制范围是否在0-3V范围，再调节AD811的放大倍数，实现0-5V范围可调。
（5）衰减网络电路的调试
用函数信号发生产生一个1M，峰峰值为0.6V的正弦信号加入衰减网络输入端，分别通过自锁按键选择直通、20db、40db衰减三档，观察输出信号。
（6）对管推挽驱动输出部分调试
使用高频信号发生器输出一个高频信号，不断调节电阻阻值，观察输出波形不失真。
（7）系统联调
键盘设置信号参数，用双踪示波器观察AD9833模块输出信号的幅值、频率。
再将9833模块输出信号加到衰减网络和程控增益放大模块，再连接负载观察输出波形，同时观察12864液晶显示模块的输出是否与示波器显示输出的各项参数相同。
观察波形，并记录好数据。
3.测试数据
表格一输出波形测试数据
预置频率/Hz
输出频率/Hz
正弦波
三角波
方波
10
100
99．9322
99.9322
1K
999．973
999．974
100K
100．000K
500K
500.00K
1M
1．00000M
1．5M
1.50000M
表格二波形幅度测试数据与带负载能力测试
设定幅值/V
实际幅值（空载）
实际幅值（1k负载）
实际幅值（50欧姆）
200mV
198mV
300mV
304mV
500mV
512mV
510mV
600mV
612mv
612mV
1.2V
1.21v
1.20V
2．0V
1.98V
1.92V
2.5V
2.46V
2.42V
3.0V
2.96
2.96V
2.92V
4.0V
4.00V
3.94V
5.0V
5.00V
4.98V
6.0V
6.00
6.00V
5.32V
4．测试结果分析
从表一可以看出，在频率稳定度方面，正弦波、方波、三角波在带负载的情况下均十分稳定，正是AD9834的特点。
由表二可以看出在电压稳定度方面：
电压的绝对值和预制值之差，及带负载和不带负载情况下输出电压均完全符合要求。
由以上分析可以得知：
六、特色与创新点讨论
（1）本设计采用AD9833模块，不仅可以产生设计要求的正弦波和方波，还可以产生三角波，并且频率稳定度优于10-4；
（2）具有将正弦波输出信号频率范围扩展为1Hz～2MHz，输出信号频率步进间隔最小为1Hz；
输出信号频率值和幅度可通过矩阵键盘进行输入设置，并能实时显示；
（3）具有20db和40db的2档衰减功能选择，并能自动检测和实时显示；
（4）在50欧姆负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp可在0～6V范围内可调，调节步进间隔0.1V，输出信号的幅度可通过键盘进行设置；
七、结束语
本设计系统以单片机AT89S52芯片为核心控制，通过可编程放大电路实现了一个基于DDS芯片AD9833的波形发生器，可以产生正弦波、方波和三角波。
本系统设计，通过可编程放大电路完成实现了正弦波、方波、三角波的输出功能，其频率步进值和幅度步进值完全达到了题目的设计要求。
在系统的设计过程中，力求硬件简单实效，充分发挥了软件编程方便、灵活的特点，并最大限度地挖掘单片机的资源，来满足系统的设计要求。
因比赛时间有限，该系统还有一些需要改进的地方。
参考文献
[1]基于DDS技术的信号发生器.赵越;
计量与测试技术,2010,11,9-10
[2]基于DDS技术的信号源设计.李雪梅;
张宏财;
王学伟;
电测与仪表,2010,01,55-56+66.
[3]一种基于DDS技术的信号发生器研究与实现.许德志;
丁才成;
电子科技,2010,03,59-61.
[4]基于单片机和DDS技术的信号发生器的设计.寄文星;
刘俊华;
庞仁治;
高通;
科技信息,2010,07,5-6+116.
[5]基于DDS技术的高精度双路可移相波形信号发生器设计.周绍军;
西南民族大学学报（自然科学版）,2010,05,822-826.
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