03年电子设计大赛获奖作品信号发生器设计报告.docx
《03年电子设计大赛获奖作品信号发生器设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《03年电子设计大赛获奖作品信号发生器设计报告.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
03年电子设计大赛获奖作品信号发生器设计报告
题目：
简易信号发生器
设
计
报
告
摘 要
本设计以DDS芯片AD9850为频率合成器，以STC89C52单片机为进程控制和任务调度核心，用AD603实现增益控制（AGC）和功率放大，串行数模转换器（D/A）MAX531实现方波占空比调节，并用Nokia5110液晶显示及键盘构成幅度、频率、方波占空比均可调的简易信号发生器。
该信号发生器输出正弦波信号频率范围为20Hz〜1MHz,方波信号频率范围为20Hz~1MHz;步进1Hz，5Hz,可键盘选取;正弦波的电压峰峰值可以在0.3〜3V范围内步进调节，幅度调节精度达0.1V;方波占空比从10%〜90%可步进可调，步长为1%。
该DDS信号发生器具有工作稳定、精度高、失真度小、频率范围大、步进选择多、控制灵活的优点。
关键词：
DDS芯片AD9850STC89C52单片机AD603幅度调节占空比调节信号发生器
一设计任务与要求------------------------------------------------1
1.1基本要求------------------------------------------------1
1.2发挥部分------------------------------------------------1
二方案比较与论证------------------------------------------------2
2.1频率合成器的方案论证与选择------------------------------2
2.2主控芯片的方案论证与选择--------------------------------2
2.3显示模块的方案论证与选择--------------------------------3
2.4系统总体结构框图----------------------------------------3
三硬件电路设计--------------------------------------------------4
3.1电源电路-----------------------------------------------4
3.2控制系统设计-------------------------------------------5
3.2.1STC89C52单片机最小系统-----------------------------5
3.2.2键盘接口设计----------------------------------------5
3.3频率合成器模块设计--------------------------------------6
3.3.1DDS原理与AD9850简介-----------------------------6
3.3.2AD9850接口设计-----------------------------------8
3.3.3占空比调节电路-----------------------------------9
3.4AD603原理与电路设计--------------------------------------9
3.5MAX531原理与应用----------------------------------------11
3.6MC1403简介与应用---------------------------------------12
四软件程序设计--------------------------------------------------13
4.1系统软件总体设计----------------------------------------13
4.1.1监控程序-------------------------------------------13
4.1.2数据处理程序--------------------------------------14
4.1.3测量控制程序--------------------------------------14
4.2键盘监控程序--------------------------------------------15
4.3AD9850数据处理程序-------------------------------------16
4.4AD603增益控制程序--------------------------------------17
五测试方案与测试结果-------------------------------------------18
5.1测试仪器-----------------------------------------------18
5.2测试方法-----------------------------------------------18
5.2.1单片机最小系统模块调试----------------------------18
5.2.2AD9850输出调试-----------------------------------18
5.2.3系统调试------------------------------------------19
5.3测试数据------------------------------------------------19
5.4数据分析说明--------------------------------------------19
六设计总结------------------------------------------------------20
附录（全部电路图）
一设计任务与要求
1.1基本要求
（1）正弦波信号源要求：
①信号频率：
20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
②频率稳定度：
优于10-4
③无明显失真
（2）脉冲波信号源要求：
①信号频率：
20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
②上升时间和下降时间：
≤1μs
③平顶无明显斜降
④脉冲占空比：
2%～98%步进可调，步长为2%
（3）上述两个信号源公共要求：
①频率可预置。
②在负载为600Ω时，输出幅度为3V。
③完成5位频率的数字显示。
1.2发挥部分
（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。
（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。
（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。
（4）其他
二方案比较与论证
本信号发生系统包括DDS正弦波产生模块，单片机控制模块，放大器模块，键盘显示等四大模块。
现将各模块主要器件做以下论证：
2.1频率合成器的方案论证与选择
方案一：
采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038，可产生正弦波、方波、三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件有远见分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与尾部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力低；而且灵活性较差，不能实现波形高精度分辨率以及波形运算输出等智能化的功能。
方案二：
采用锁相式频率合成方案。
利用锁相环，将压控振荡器VCO的输出频率锁定在所需频率上。
这种频率合成器可以很好的选择所需频率信号，并省去了大量的滤波器。
但由于频率受VCO可变频率范围的影响，高低频率比不可能做的很高。
而且锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长，由模拟方法合成的正弦波参数，如幅度、频率和相位都很难控制。
方案三：
采用直接数字式频率合成器（DDS）。
用随机读写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求以频率控制字k为步进对相位进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储期内的波形数据，经D/A转换盒幅度控制再滤波即可得所需波形（如图①）。
由于DDS具有相对带宽很宽、拼了转换时间极短（可小于20ns）、频率分辨率可以做得很高（典型值为0.001Hz）等优点，另外，全数字化便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，完全满足设计要求，于是我们采用了此方案。
2.2主控芯片的方案论证与选择
方案一：
采用STC89C52单片机，52单片机主要特点有：
与MCS-51产品兼容；具有8K字节在系统编程的Flash内部程序存储器；256字节内部RAM；32根可编程I/O线；三个16位定时器/计数器；8个中断源等。
考虑到我们的方案对主控制器的要求不是很高，所以选用STC89C52。
方案二：
AVR单片机内嵌高质量的Flash程序存储器，单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定高阻输入、驱动能力强等特性，使的得I/O口资源灵活、功能强大。
但价格稍微贵一点，程序控制较51系列复杂。
2.3显示模块的方案论证与选择
方案一：
用LED数码管，LED数码管也称半导体数码管，它以发光笔段并按共阴极方式或共阳极方式连接后封装而成的。
数码管只能显示固定的数字和字母，驱动电路较复杂，显示程序编写难，且其显示效果差，闪烁不定等缺点。
方案二：
采用液晶显示器件（LCD），是一种高新技术的基础元器件。
它利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场、磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换为可视信号而制成的显示器。
其中Nokia5110微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化、廉价，满足设计需求，此处采用此显示模块。
2.4系统总体结构框图
根据设计要求，经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了如图2-1所示总体结构框图：
以AD9850为频率合成器，ATmega16单片机为控制核心，完成频率控制字计算，处理键盘数据，控制液晶显示，控制AD603进行幅值调节等。
125M
STC89C52
图2-1系统总体结构框图
总体结构框图包括硬件设计和软件设计。
如图3-1所示，硬件设计主要包括三部分：
AD9850波形产生电路设计、51单片机控制电路设计和输出信号调整电路设计。
软件设计需要完成键盘输入、AD9850频率控制字的写入以及输出信号幅度的控制等功能。
下面就对硬件各部分逐一加以介绍。
1.DDS波形产生电路
波形的产生主要是通过单片机对AD9850写入频率控制字，改变波形的频率，实现波形的频率在规定的范围内可以随意调节。
正弦波可由AD9850直接输出模拟波形，对于方波，可将输出的正弦波经过低通滤波器接到高速比较器，经比较器输出方波。
2.单片机控制电路
单片机的主要工作是对键盘进行扫描和液晶显示控制，从键盘接收相应的键值，包括合成信号的频率，幅度的放大和衰减倍数以及各种功能按键的值，再通过键值解释程序执行相应的操作。
接收到需要产生的频率数据后，单片机经过内部运算得出AD9850产生该频率所需的频率控制字（十六进制），在写时序控制下，将数据写入AD9850内部的各个寄存器，产生所需的合成信号。
3.输出信号调整电路
由于输出波形幅度要求在0.1V—5V（20Hz-20KHz）的范围内连续可调，因此采用了AD603程控增益的方法对其进行幅值的放大和衰减。
单片机可以通过D/A转换器（MAX531）控制信号的增益，实现信号幅值在规定范围内可以根据需要任意调节
三硬件电路设计
3.1电源电路本机使用+5V和-5V共地电源，硬件设计中采用自带电源方式。
本系统中除了AD603接正负电源外，其它如AD9850，有源晶振，ATmega16，MAX531，MC1403，液晶显示器等均使用+5V电源供电。
电源电路原理图一般包括三部分：
整流，滤波，稳压。
4个二极管采用全波整流方式连接，C2和C5用于一级滤波，滤掉高次波的影响，之后经过7805/7905的稳压，另外在稳压管输出端也加上了大容量的电解电容，其目的一、为了能平稳的输出电压并且二次滤波，使其输出不产生大的波动。
二、就是储能的作用，是为了避免设计中用到功率电流大的器件影响。
电源电路原理图如图3-1所示。
图3-1电源电路原理图
3.2控制系统设计
3.21STC89C52单片机最小系统
单片机最小系统包括LCD12864液晶显示电路，键盘控制电路和单片机外部复位电路三个模块。
最小系统如图3-2所示：
图3-2单片机最小系统接口图
3.22键盘接口设计
本设计用到的按键较多，所以采用4*4矩阵键盘来实现输入控制，节省单片机端口资源，为矩阵键盘统一分配单片机端口P1。
矩阵键盘电路图
3.3频率合成器模块设计
3.31DDS原理与AD9850简介
DDS技术是根据奈奎斯特定理取样，从连续信号的相位出发，通过查表法产生波形将一个正弦信号取样、量化、编码形成一个正弦函数表存在EPROM中。
合成时，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。
相位增量不同将导致一周期内的取样点数的不同，在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位除以幅值量化的数字信号，通过D/A转换及低通滤波器即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。
对于一个简单的直接数字频率合成器，它可以分为参考频率源、相位累加器、可编程只读存储器（PROM）和D/A转换器四部分（见图3-4）。
图3-4DDS基本工作原理
AD9850是AD公司采用先进的DDS技术，1996年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。
接上精密时钟源，AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。
此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。
AD9850接口控制简单，可以用８位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。
32位频率控制字，在125MHz时钟下，输出频率分辨率达0.0291Hz。
先进的CMOS工艺使AD9850不仅性能指标一流，而且功耗少，在3.3Ｖ供电时，功耗仅为155mV。
扩展工业级温度范围为-40~+85摄氏度。
可编程DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。
每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。
相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相位地正弦查询表每消费品一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS系统输出一个正弦波。
输出的正弦波周期To=Tc2N/M，频率fout=Mfc/2N，Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。
AD9850采用32位的相位累加器，将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流，接到滤波器上。
调节DAC满量程输出电流，需外接一个电阻Rset，其调节关系为Iset=32（1.248V/Rset），Rset的典型值是3.9kΩ。
AD9850的内部方框图如图3-5所示。
图3-5AD9850内部方框图
AD9850是28脚SOP表面封装。
其引脚排列如图3-6所示。
功能如下：
1.D0-D7，控制字并行输入端，其中D7可作为串行输入；
2.DGND，数字地；
3.DVDD，数字电源；
4.WCLK，控制字装入时钟；
5.FQUD，频率更新控制；
6.CLK，输入时钟；
7.AGND，模拟地；
8.AVDD，模拟电源；
9.RSET，DAC外接电阻；
10.QOUT，QB，内部比较器输出；
11.VINN，VINP，内部比较器输入；
12.DACBL，内部DAC外接参考电压端；
13.IB，IOUT，DAC输出端；
14.RES，复位端。
图3-6AD9850引脚排列。
3.32AD9850接口设计
单片机与AD9850的接口既可以用并行方式，也可采用串行方式，但为了充分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式，本系统采用并行接法。
DDS的基准信号源决定于整个系统输出的精确度和稳定度，在本系统中采用了50.00MHz的温度补偿晶体振荡器作为DDS的基准信号源，温度补偿晶体不随温度的改变而改变，而且精度和稳定度是非常高，抗干扰也是比较好。
使得整个系统输出的频率是那么的精确稳定。
由于AD9850是贴片式的体积非常小，引脚排列比较密，焊接时必须小心，还要防静电击穿，焊接不好就很容易把芯片给烧坏。
还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。
所以在AD9850外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护电路。
为了减小外界干扰，添加了不少的滤波电路。
正弦波、方波产生详细电路图如图3-7所示。
图3-7正弦波、方波产生电路
3.33占空比调节电路
占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。
比如，占空比为0.1，说明正电平所占时间为0.1个周期。
在对占空比概念的了解上进一步深入，经过多项实验方案和比较，最终得出了合理而容易实现的方法，即利用D/AMAX531输出适合的电压信号，通过AD9850内部本身的高速比较器与正弦波进行比较，MAX531与内部比较器负端（VINN）连接，而AD9850本身产生的正弦波与比较器正端（VINP）连接，其结构原理图如图3-8所示。
图3-8方波占空比调节结构原理图
该占空比的方法不仅可以实现连续调节（范围：
10%~90%），而且实用性强、精确度高、稳定性好，具体电路原理如图3-9所示。
图3-9方波占空比调节电路
3.4AD603原理及应用
AD603是美国ADI公司推出的的一种宽频带、低噪声、增益可程控的集成运算放大器，可用于射频自动增益放大、视频增益控制、A/D转换时的量程控制和信号测量系统中。
本文介绍了AD603的工作原理及使用要点,给出了以AD603为核心构成的应用电路。
3.41AD603引脚排列、功能及极限参数
AD603的引脚排列如图1所示,表3-2为其引脚功能。
AD603的极限参数如下：
●电源电压VS：
±7.5V;
●输入信号幅度VINP：
+2V;
●增益控制端电压GNEG和GPOS：
±VS
●功耗：
400mW;
●工作温度范围：
AD603A：
-40℃～+85℃;
AD603S：
-55℃～+125℃;
图3-10AD603引脚排列
引脚
名称
描述
1
GPOS
增益控制电压正相输入（正电压控制）
2
GNEG
增益控制电压反相输入（负电压控制）
3
VINP
运放输入
4
COMM
运放公共端
5
FSBK
反馈端
6
VENG
负电源输入
7
VOUT
运放输出
8
VPOS
正电源输入
表3-2AD603管脚功能表
3.42AD603的内部结构及原理
AD603的简化原理框图如图3-11所示，它由无源输入衰减器、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（VGPOS-VGNEG）有关，由于控制电压GPOS/GNEG端的输入电阻高达50MΩ,因而输入电流很小,致使片内控制电路对提供增益控制电压的外电路影响减小。
以上特点很适合构成程控增益放大器。
VG控制的梯形网络的“滑动触点”可以连续的移动，可实现0~-42.14dB的衰减。
图3-11AD603的原理框图
我们可利用反馈网络（VOUT与FDBK的连接方式）设计AD603的增益GF，可设置为三种模式。
模式一：
将5脚（VOUT）和7脚（FDBK）短路，AD603的增益为40Vg+10，增益范围为-10~+30dB。
模式二：
将5脚（VOUT）和7脚（FDBK）断开，其增益为40Vg+30，增益范围为10~50dB。
模式三：
在5脚（VOUT）与7脚（FDBK）之间外接一个电阻REXT，可将GF设置在31.07~51.07dB之间的任意值。
3.43AD603增益放大电路
图3-12AD603增益放大电路
3.5MAX531简介及电路设计
MAX531是美信公司推出的12位单通道串行D/A转换器件,它具有功耗低、转换频率快、内部带基准电压等特点，内部有内置2.048V基准电压源这一性能是很重要的，把内置基准电压源的输出作为D/A转换器的参考电压，由于所用参考电压非常精密，所以其D/A转换的输出电压的线性度很好，误差极小，这正是MAX531最可取之处。
MAX531为14脚DIP封装，能与MCS51、AVR单片机接口。
芯片外部引脚见图3-13，各引脚功能见表3-3。
MAX531芯片采用5V或±5V供电,具有1路12位模拟量电压输出。
D/A转换数据通过DIN串行输入，然后经过D/A转换和运放从Vout输出各种范围的电压信号。
如图2所示。
DIN----数据串行输入端
CS-----片选端
SCLK---串行时钟输入端
CLR----清零，异步设置DAC
存储器为00H
图3-13MAX531引脚排列
表3-3MAX531各个引脚的功能
引脚
名称
功能
1
BIPOFF
空端口
2
DIN
串行数据输入
3
CLR
清除端
4
SCLK
串行时钟信号注入
5
CS
片选端
6
DOUT
串行数据输出
7
DGND
数据地
8
Vdd
电源输入端
9
RFB
反馈输入端
10
Vout
模拟电压输出
11
REFOUT
基准电压输出
12
REFIN
基准电压输入
13
AGND
模拟地
14
Vss
公共接地端
3.6MC1403简介及应用
MC1403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源，国产型号为5G1403和CH1403。
它采用DIP－8封装，引脚排列如图7-1-2所示。
UI＝＋4.5V～＋15V，UO＝2.500V（典型值），αT可达10×10－6/℃。
为了配8P插座，还专门设置了5个空脚。
其输出电压UO＝Ug0（R3＋R4）/R4＝1.205×2.08＝＋2.5V。
MC1403是精密的带隙电压基准电路。
用于要求高的测试仪器和D/A转换器。
该电路可与MATOROLA的MC1508和MC3510D/A转换器或MC14433A/D配合使用。
低温漂是该器件的主要特点，可作为8~12位A/D转换器提供基准电压，替代低温度系数的齐纳二极管，高稳定性的电流基准。
芯片外部引脚见图3-14，MC1403的功能参数如下：
输出电压:
2.5V＋/-25mV
输入电压范围:
4.5Vto40V
输出电流:
10mA
图3-14MC1403引脚排列
四软件程序设计
软件的质量对仪器的功能、性能指标及操作有很大的影响。
根据各部分功能要求，整个系统的软件程序由监控程序，测量控制程序和数据处理程序组成。
系统总程序流程图如图4-1所示。
图4-1系统总程序流程图
4.1.1监控程序
监控程序是软件中的主线，它调用各模块，并将它们联系起来，形成一个有机的整体，从而实现对仪器的全部管理功能。
其程序的基本结构为:
1.初始化程序：
实现对单片机，液晶显示器及AD9850的初始化，对各个使用的寄存器分别进行复位和置位，使信号发生器工作于初始状态，为接收外部控制命令做好准备。
2.键盘扫描与解释程序：
通过对键盘
升级会员 