基于NEC单片机的数字式信号发生器.docx

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基于NEC单片机的数字式信号发生器

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

通信工程

班级学号：

0801-31

学生姓名：

高二飞

指导教师：

梁彩凤讲师

二○一二年六月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

基于NEC单片机的数字式信号发生器

ThedigitalsignalgeneratorbasedonNECmicrocontroller

专业班级：

通信0801

学生姓名：

高二飞

指导教师：

梁彩凤讲师

系别：

电子工程学院

2012年06月

摘要

随着数字技术的飞速发展和高精度大动态范围数字模拟转换器的广泛应用，直接数字频率合成技术异常突起。

该技术是一种重要的频率合成技术，它是一种用数字控制的方法从一个标准参考频率产生多个频率信号的技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，因而在雷达及通信等领域有着广泛的应用。

基于直接数字频率合成芯片AD9850的宽频信号源，不但具有相对带宽较宽，频率转换时间短，频率分辨率高，输出相位连续等特点，而且可产生宽带正交信号及其他多种调制信号，编程灵活控制方便具有广泛的应用前景。

本设计以NEC单片机78F0547为中心控制系统，由按键输入模块、稳压电源模块、液晶显示模块、波形产生模块组成。

本系统由七个频率档构成的按键输入和电位器输入，输入信号经过单片机的转换、计算处理后形成两组数据，一组数据输入到液晶显示屏1602上，把频率显示出来，另一组数据为40位控制字，输入到DDS专用芯片AD9850产生正弦波、方波信号。

本系统设计的输出频率范围为0.12Hz到20MHz，输出频率最小分辨率为0.12Hz。

工作温度范围为–40°C至+125°C包括工业温度范围。

该系统输出信号稳定度、精度极高，适用于当代的尖端的通信系统和精密的高精度仪器。

关键词：

频率合成；NEC单片机；DDS；A/D转换；高精度

Abstract

Withtherapiddevelopmentofdigitaltechnology,precisionlargedynamicrangeofWiththeextensiveapplicationoftherapiddevelopmentofdigitaltechnologyandhigh-precisiondynamicrangedigitaltoanalogconverter,thesuddenemergenceofdirectdigitalfrequencysynthesis.Thetechnologyisanimportantfrequencysynthesistechnique,whichisadigitalcontrolmethodtogeneratemultiplefrequencysignalfromastandardreferencefrequencytechnology,withhighresolution,fastfrequencytransformadvantages,whichinradarandcommunicationsthefieldhasawiderangeofapplications.DirectdigitalfrequencysynthesizerchipAD9850widebandsignalsourcenotonlyhasarelativelywidebandwidth,frequencyswitchingtimeisshort,highfrequencyresolution,outputcontinuousphasecharacteristics,andcanproducebroadbandsignalandothermodulatedsignals,programmingflexibilityandcontrolconveniencehasbroadapplicationprospects.

ThedesigntoNECMCU78F0547asthecentralcontrolsystembythekeyinputmodule,powersupplymodules,LCDmodules,waveformgeneratormodules.Thesystemconsistsofsevenfrequenciesfilebuttoninputandpotentiometerinput,theinputsignalaftertheconversionofsingle-chip,toformtwosetsofdatacomputing,asetofdatainputtobedisplayedontheLCDdisplay1602,anothersetofdatafor40bitcontrolwordforinputDDSchipAD9850producesinewave,squarewave.Thedesignofthesystemoutputfrequencyrangeof0.12Hzto20MHz,theminimumoutputfrequencyresolutionof0.12Hz.Operatingtemperaturerangeis-40°Cto125°Cextendedindustrialtemperaturerange.

Thesystemisstability,highprecision,applicabletothecontemporarystate-of-the-artcommunicationsystemsandsophisticatedprecisioninstrument.

Keywords:

frequency;NECMCU;theDDS;A/Dconversion;precision

目录

1引言1

1.1对人类科学的影响1

1.2层次结构1

1.3应用领域1

1.3.1雷达2

1.3.2扩展频谱通信2

1.3.3宽频信号源2

2DDS基本原理及性能特点3

2.1DDS基本原理3

2.2DDS性能特点3

2.2.1输出频率相对带宽较宽3

2.2.2频率转换时间短3

2.2.3频率分辨率极高4

2.2.4相位变化连续4

2.2.5输出波形的灵活性4

2.3AD9850工作原理4

3总体设计5

3.1方案论证与比较5

3.1.1信号发生部分5

3.1.2频率控制部分5

3.1.3键盘输入部分5

3.1.4信号输出部分6

3.1.5显示部分6

3.2总体设计6

3.3单片机主控模板7

3.4按键控制模块9

3.5数字模拟稳压电源模块9

3.6信号发生模块11

3.7液晶显示模块13

3.7.11602LCD简介13

3.7.2引脚功能说明14

4软件调试15

4.1C语言15

4.2开发工具软件设置16

4.2.1软件设置16

4.2.2用TIMER定时：

16

4.2.3INT中断17

4.3开发工具软件使用17

4.4主程序流程图19

4.5熟悉NEC开发环境20

4.5.1开发工具软件应用内容20

4.5.2PMPlus的操作20

4.5.3QB-78K0MINI仿真器的使用20

4.6初始化程序21

4.7A/D转换及液晶显示子程序22

4.8AD9850控制程序25

4.9键盘中断程序26

4.10主程序27

5系统的工作过程28

6总调试及误差分析29

结论30

参考文献31

致谢32

附录一：

源程序33

附录二：

系统电路图45

1引言

NEC公司78K系列单片机，现有6种NEC的8位单片机，分别属于KC2、KB2及KF2系列，如果选择KF2系列的0547D则可非常简便地实现题目要求。

本设计对系统运行速度要求不高，适当选择并行方式外围器件并采用复用方式可以降低对端口资源的需求，又能满足系统功能要求，另外考虑到本设计作为实用技术的案例，不能单纯追求器件的高性能。

综合以上拟选择通用低档KB2系列中的78F0547单片机，该单片机与通用51单片机相比，端口引脚资源丰富，而售价只与51单片机相当，便于将来开发低成本学习。

需要强调的是，为方便调试，NEC每个系列中提供一款带有片上调试功能的D尾芯片，适用于产品开发阶段或学习板，而正式产品中则应采用无调试功能的器件提高系统可靠性。

本设计以NEC单片机78F0547为中心控制系统，由输入模块、液晶显示模块、波形产生模块组成。

采用DDS专用芯片AD9850产生正弦波、方波波形，输入在单片机的控制下，经A/D转换后控制AD9850产生信号的频率,信号的频率在单片机的控制下由液晶显示出来。

1.1对人类科学的影响

随着科技的发展，人们对频率的要求越来越高，DDS可能改变人的思维方式和传统观念。

对人类科学有更多的影响。

DDS有着可控性好，稳定度高的优点，目前得到了广泛的应用。

1.2层次结构

基于NEC单片机78F0547的直接数字频率合成的信号发生器，它主要以微电脑控制部分、直接数字频率合成（DDS）部分、数字锁相环频率合成部分、背光液晶显示部分、功率放大部分等组成。

本系统通过启动接数字频率合成（DDS）模块，把内存缓存区的数据送到数字频率合成（DDS）模块后输出相应的频率，并把数据转换为BCD码，送到液晶显示器进行显示。

该系统输出稳定度、精度极高，适用于当代的尖端的通信系统和精密的高精度仪器。

1.3应用领域

数字频率合成最适合在那些要求性能比较高的环境中工作，它们已在许多工业部门获得广泛应用。

它们可以比人类工作得更好并且成本低廉。

可产生宽带正交信号及其他多种调制信号控制灵活方便具有较高的性价比广泛应用于通信雷达等领域是目前频率合成的发展方向。

以下列举了数字频率合成的一些应用，所有这些用途正逐步渗入到军事、工业和社会的各个层面。

1.3.1雷达

现代雷达由于战术需求，需要从回波信号中提取目标距离、速度以及其它特征信息，这就需要雷达发射。

大时宽、带宽信号线性调频信号由于其易产生、易处理，因而得到广泛应用。

对于产生LFM信号的模拟方法，无论是有源的VCO方法，还是无源的SAW的方法，都有其固有的缺陷（如：

器件对温度敏感、信号带内线性度差、相位噪声过大、信号间相干性不理想）制约雷达整机性能

。

而直接数字频率合成技术通过数控电路对DDS输出波形的频率、幅度、相位进行精确的控制，并对信号的幅度、相位进行校正，产生接近理想的线性调频信号，因而具有传统模拟方法无可比拟的优点，从而在军事领域得到了广泛的应用。

1.3.2扩展频谱通信

扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication）作为一种新型的通信体系，具有抗干扰能力强、截获率低、码分多址、信号隐蔽、保密、易于测距等优点，是通信领域的一个重要发展方向

。

扩频通信在军事上受到了极大的重视。

为配合对扩频信号的码率、载波频率、伪码序列等重要参数估计的研究，迫切需要一台能够对现实环境中直接序列扩频信号进行精确模拟的信号源，而数字频率合成适应这些要求。

1.3.3宽频信号源

基于NEC单片机控制的DDS方式的高速宽频信号源系统并对其中的LCD显示输出运算放大模块D/A转换模块幅度控制模块等进行了介绍该系统可以产生任意频率的正弦方波及其各种模拟和数字调制信号功能并且具有频率的精度高等优点

。

2DDS基本原理及性能特点

2.1DDS基本原理

DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。

相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。

每来一个时钟脉冲fs，加法器将频率控制字K与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。

累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。

这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。

由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。

用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值的转换。

波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号

。

低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。

DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号的性能。

2.2DDS性能特点

2.2.1输出频率相对带宽较宽

输出频率带宽为50%fs（理论值）

，但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到40%fs。

2.2.2频率转换时间短

DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。

事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换

。

因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。

时钟频率越高，转换时间越短。

DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。

2.2.3频率分辨率极高

若时钟的频率不变，DDS的频率分辨率就由相位累加器的位数N决定。

只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。

目前，大多数DDS的分辨率在１Hz数量级，许多小于１mHz甚至更小

。

2.2.4相位变化连续

改变DDS输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，但是保持了信号相位的连续性

。

2.2.5输出波形的灵活性

只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK.PSK.ASK和MSK信号

。

另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出。

当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时

，既可得到正交的两路输出。

2.3AD9850工作原理

AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。

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，相位寄存器使步长M递加。

相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输人到正弦查询表地址上。

正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中00-360范围的一个相位点。

查询表把输人地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC以输出模式量。

利用DDS专用芯片实现信号发生器设计，具有结构简单、成本低、频率输出范围大以及稳定度高等特点，克服了传统设计方案输出频率不稳定的缺点，有很好的应用价值

。

3总体设计

经过仔细分析，充分考虑各种因素，制定了整体设计方案：

以NEC单片机78F0547D为核心，完成四方面的功能：

采用DDS专用芯片AD9850产生正弦波、方波，可编程并口控制液晶显示，键盘并口控制输入，频率微调输入。

3.1方案论证与比较

3.1.1信号发生部分

方案一：

采用传统的波形振荡方式，如常见的555MAX038等芯片采用外接阻容介质来达到频率合成的目的。

虽然电路简单，但频率控制复杂，不易数字化，特别是在高频波段，如果电路设计不当，波形容易失真

。

方案二：

采用直接数字频率合成（DDS）方式，即通过可编程技术从一个标准参考时钟产生多种频率。

主要优点是信号源的相对带宽较宽，频率分辨率高。

采用专用的DDS芯片，因为AD9850可以直接产生正弦波等常见波形，用单片机的控制字可以方便地进行控制输出不同的频率。

综上比较，采用方法二合理。

3.1.2频率控制部分

方案一：

采用单片机直接频率控制方法，控制简单，电路容易制作，不分频段处理。

对于此方法，由于NEC单片机78F0547D的A/D转换的字长有限，从而不能达到该动态调频范围。

方案二：

采用外部中断输入，分档控制。

此种方法电路比较复杂，编程相对较难。

但是此种方法的动态范围满足要求，采用分七档控制。

所以采用此种方案。

综上比较，采用方法二合理。

3.1.3键盘输入部分

方案一：

采用动态扫描的方法输入，电路布线较多，比较占用多的CPU，从而使得CPU的实时性大大的下降，对整个系统也会产生较大的影响。

因此，此方法不理想。

方案二：

采用中断的方式进行键盘输入，此方法实时性能很好，电路结构简洁，编程稍微有点麻烦。

综上比较，采用方法二合理。

3.1.4信号输出部分

方案一：

采用多路开关在正弦波、方波之间切换的方式输出。

这种方式每种波都是同时产生的，因此之间容易发生相互的干扰，而且切换速度慢，使用也不方便，切换有干扰从而影响精度。

方案二：

采用提供精确的、可由分立管脚选择的波形方式。

这种方式可以降低之间相互的干扰。

系统在温度和电源电压变化时有很高的稳定性，完全可以满足本设计的要求。

采用此方案。

综上比较，采用方法二合理。

3.1.5显示部分

方案一：

采用数码管动态扫描显示方式，此种方法需要较多的I/O口，电路焊接复杂，而且数码管只能显示数字，显示字母效果不理想。

方案二：

LCD1602液晶显示，LCD1602液晶不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现。

采用此方案。

综上比较，采用方法二合理。

3.2总体设计

系统主要由NEC78F0547D单片机主控模块、按键控制模块、数字模拟稳压电源模块、AD9850信号发生模块、1602液晶显示模块、频率微调模块组成。

本系统由七个频率档构成的按键输入和电位器输入，输入信号经过单片机的转换、计算处理后形成两组数据，一组数据输入到液晶显示屏1602上显示出来，另一组数据为40位控制字，输入到DDS专用芯片AD9850控制产生的正弦波、方波的频率。

综上所述，拟选择通用低档KB2系列中的78F0547单片机。

它与通用51单片机相比，除端口引脚资源丰富外，自身集成有A/D转换器，而售价与51单片机相当，便于为将来的开发低成本。

其系统框图如图3-1所示。

图3-1系统总体框

3.3单片机主控模板

NEC78F0547D产品特征：

指令最短执行时间可以在高速（0.1us）和低速（1.6us）之间改变；通用寄存器为8位*32个寄存器；具有片上上电清零电路和低电压检测器、片上看门狗定时器

。

其引脚定义为：

ANI0～ANI3:

模拟输入P60,P61:

端口6

AVREF:

模拟参考电压P120～P122:

端口12

AVSS:

模拟地REGC:

调节器电容

EVDD:

端口供电电源RESET:

复位

EVSS：

端口地RXD0,RXD6:

接受数据

EXCLK:

外部时钟输入SCK10,SCL0：

串行时钟输入∕输出

EXLVI：

低电压检测器的外部点压输入SDA0:

串行数据输入∕输出

FLMD0:

Flash编程模式SI10:

串行数据输入

INTP0～INTP5:

外部中断输入SO10：

串行数据输出

P00,P01:

端口0VDD:

供电电源

P10～P17:

端口1VSS：

地

P20～P23:

端口2X1,X2：

晶体振荡器（主系统时钟）

P30～P33:

端口3NC：

不连接

TI000,TI010,TI50,TI51:

定时器输入

OCD0A,OCD0B,OCD1A,OCD1B:

片上调试输入∕输出。

TO00,TO50,TO51,TOH0,TOH1:

定时器输出。

由上可见，NEC78F0547D单片机的硬件结构具有功能部件种类全I/O口丰富，功能强等特点。

特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。

1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。

其模块如图3-2所示。

图3-2NEC模块图

3.4按键控制模块

中断的方式进行键盘输入。

此方法实时性能好，电路结构简洁以及有LED指示灯配合，从而应用更加方便，模块如图3-3所示。

图3-3按键控制模块图

3.5数字模拟稳压电源模块

由于本系统对干扰比较敏感，尤其是对电源的性能要求相对很高，电源的波动可能导致单片机的工作不稳定和AD8950的信号发生部分失真甚至无信号输出。

作为稳压器件来将较高的直流电压转变其他器件所需的工作电压。

让数字电源、模拟电源、单片机电源、信号合成器电源分开连接，从而减少相互之间的干扰，利于提高控制系统的稳定性。

首先才有7805降压稳压，确保系统供电的稳定以及电压不会太大以至于烧坏电路，其次在每个模块的供电都采用电容进行去耦处理，减少了模块之间电源之间的干扰。

如图3-4所示。

图3-4稳压电源模块

3.6信号发生模块

AD9850是一款高度集成的器件，采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能数模转换器和比较器，共同构成完整的数字可编程频率合成器和时钟发生器。

以精密时钟源作为基准时，AD9850能产生频谱纯净的频率/相位可编程、模拟输出正弦波。

该正弦波可以直接用作频率源，或转换为适合可变时钟发生器应用的方波。

随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围数字/模拟D/A转换器的出现和广泛应用，用数字控制方法从一个标准参考频率源产生多个频率信号的技术，即直接数字合成（DDS）技术异军突起。

利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号，这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。

AD9850的创新型高速DDS内核提供一个32位频率调谐字；对于25MHz基准时钟输入，输出调谐分辨率可以达到0.12Hz。

AD9850的电路架构允许产生最高达到20MHz的输出频率，而且输出频率能以最高每秒2300万新频率的速率发生数字式改变（异步）。

该器件还提供五位数字控制相位调制，使其输出能够以180°、90°、45°、22.5°、11.25°及其任意组合的增量发生相移。

AD9850还内置一个高速比较器，它经过配置可以接受DAC的（外部）滤波输出，以产生低抖动方波输出，这样该器件便可用作可变时钟发生器。

频率调谐、控制和相位调制字均以并行字节或串行加载格式载入AD9850。

并行加载格式由一个8位控制字（字节）的五次迭代加载组成，第一个字节控制相位调制、省电使能和加载格式，第二至第五个字节组成32位频率调谐字。

串行加载通过单个引脚上的40位串行数据流完成。

AD985