基于单片机的交流信号源的设计说明.doc
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1、 基于单片机的交流信号源的设计 鹏 兴(陕理工机械工程学院机自专业 087班, 723003)指导教师:王长乾摘要本设计使用51单片机对DDS芯片进行控制,利用DDS造波的方法产生需要的正弦信号.用户可以根据需要对芯片设定一个频率值或相位值,通过单片机传输芯片控制字对芯片输出的频率和相位进行调节,达到用户所要求的信号。本设计采用模块化设计的方法,不同的模块为实现不同的功能而设计,总体由单片机控制协调工作。利用51单片机控制DDS芯片造波,具有如下优越性:1.造价低廉。51系列单片机应用广泛,价格低廉,比较容易购买,DDS芯片价格较单片机稍高,但与价格成百上千的成品信号发生器相比,本设计经济优势
2、显著。2.电路简单。本设计利用单片机进行数字化控制,外围元件较少,仅需辅以少量的阻容元件用于电流电压匹配控制以与滤波电路既可。3.频率控制准确高效。数字化控制的最大优点即控制准确。本设计选用的DDS芯片置32位高速数模转换器,分辨率高,响应快。关键词51单片机;DDS造波;频率;The Design of Sinusoidal Signal Generator Based on SinglechipFan Pengxing (Grade 08,Class 7,Major mechanical engineering,Mechanical engineering and automation D
3、ept.,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi)Tutor: Wang ChangqianAbstract: Thedesign use 51series singlechip to control DDS chips working.Using DDS method to produce sine signal.The user can set a frequency or phase value freely.To achieve the user request signal,the singlechip nee
4、d sending a control word to DDS chip,which determines the frequency and phase values.This design uses the modular design method, different modules designed for different functions.Singlechip responsible for coordination of all work.The benefits of DDS method to produce sine signal as follows:1.low c
5、ost. The 51 seriessinglechips application are range,so they have low price and are easy to purchase.The price of DDS chip is slightly higher than singlechip.but to compare with the commodity signal generator which values hundreds even thousands,the advantages of this design is obvious.2.Simple circu
6、it.Benefits which digital control takes is Peripheral element is less.Its only need a few capacitance and resistance element for crrent and voltage matching and filter.3.Frequency control is accurate and efficient.Frequency control is accurate and efficient.This design using DDS chip with 32 bit hig
7、h speed D/A converter,which has a high resolution, fast response.Key words: 51 singlechip;DDS method to produce signal;Frequency;71 / 71毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作与取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得与其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集
8、体,均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名:日 期:指导教师签名: 日期:使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名: 日 期:学位论文原创性声明本人重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本
9、文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日目录The Design of Sinusoidal Signal Generator Based on S
10、inglechip1引言51 绪论61.1单片机在函数信号发生器中的应用61.2发展现状61.3项目可行性研究61.4设计任务和要求72.方案与工作原理72.1方案设计72.1.1方案一72.1.2 方案二72.1.3 方案三72.1.4 方案四72.2 DDS工作原理82.3 DDS移相原理83.电路设计93.1设计思路93.2元件选型93.3系统总体框图93.4 STC89C52RC单片机103.5 AD9850芯片113.5.1 AD9850芯片简介113.5.2 AD9850工作方式介绍123.5.3相位控制字的计算123.6 1602LCD显示屏133.6.1液晶概述133.6.2接
11、口信号说明133.6.3 1602地址说明143.6.4 1602指令码说明143.6.5 1602LCD写操作时序图143.7低通滤波器的设计153.7.1低通滤波器153.7.2低通滤波器的选型153.7.3低通滤波器的设计153.8总电路原理图173.9硬件调试173.10参数测量与误差分析213.10.1参数测量213.10.2误差分析214.软件设计224.1主程序流程图224.2源程序23总结24致25参考文献26附录27附录A:文献原文27附录B:外文文献翻译;34附录C:电路原理图41附录D:元器件清单表。43附录E:源程序44引言随着数字电子技术的发展正弦信号发生器作为电子技
12、术领域中最基本的电子仪器,广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。随着电子信息技术的发展,对其性能的要求也越来越高,如要求频率稳定性高、转换速度快,具有调幅、调频、调相等功能,另外还经常需要两路正弦信号不仅具有一样的频率,同时要有确定的相位差。随着数字信号处理和集成电路技术的发展,直接数字频率合成(DDS)的应用也越来越广泛。直接数字频率合成是一种新的频率合成技术和信号产生的方法,具有超高速的频率转换时间、极高的频率分辨率分辨率和较低的相位噪声,在频率改变与调频时,DDS能够保持相位的连续,因此很容易实现频率、相位和幅度调制。此外,DDS技术大部分是基于数字电路
13、技术的,具有可编程控制的突出优点。因此,这种信号产生技术得到了越来越广泛的应用,很多厂家已经生产出了DDS专用芯片,这种器件成为当今电子系统与设各中频率源的首选器件。本课题的目的就是依据DDS原理,利用DDS芯片设计出一个能随意调节频率和相位值得正弦信号发生器。1绪论1.1单片机在函数信号发生器中的应用在当今电子领域尤其是自动化智能控制与检测领域,传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统,正以逐步被单片机控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广(在各种仪器仪表生产单位、石油、化工、纺织、机械加工等各个行业中都有广泛应用)等优点,可以说智能控制与自动控制的核心就是单片机。学习
14、单片机最有效的方法就是理论与实践并重,毕业设计就为我们提供了这样一个合适的平台。基于单片机的正弦信号发生器的设计,该课题的设计目的就是让我充分运用大学期间所学专业知识,结合动手实践的能力,完成一个有实际意义的、有实用性的作品。通过对作品设计,提高单片的应用能力。本设计中,单片机担任着举足轻重的任务,它是整个系统的大脑和核心,其他各分立模块均由单片机分管掌控,协调工作。如单片机不但要负责键盘按键输入的检测,而且要负责显示屏实时信息的输出,更要按照用户的要求与时的将工作命令发送到DDS芯片中去。1.2发展现状信号发生器是一种历史悠久的测量仪器。早在二十年代当电子设备刚开始出现时它就出现了。随着通信
15、和雷达技术的发展四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂功率比较大电路比较简单 与数字仪器、示波器等相比因此发展速度较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。 自六十年代以来信号发生器有了迅速的发展出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。信号发生器的应用非常广泛,种类也相当繁
16、多。首先,信号发生器可以分为通用和专用两大类。专用信号发生器主要是为了某种特殊的测量目的而研制的,如电视信号发生器、编码脉冲信号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。其次,信号发生器按输出波形又可分为正弦波形发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和任意波形发生器等。再次,按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法,即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡,获得所需频率。但也可以通过频率合成技术来获得所需的频率,利用频率合成技术制成的信号发生器,通常被称为合成信号发生器。目前国生产的波形发生器大部分是利用分立元件与模拟集成电路构成的转换量程靠手动来实
17、现不仅体积大而且可靠性和准确度很难进一步提高。1.3项目可行性研究基于单片机的信号发生器的设计,将采用单片机控制DDS芯片的方法来实现正弦波的发生,在有余力的基础上尽可能的实现锯齿波、矩形波。根据设计的要求,可以使用多种方案完成造波过程。函数信号发生器电路中使用的器件可以是分立器件,也可以是集成器件。产生的正弦波,可以通过整形电路将正弦转化为方波,经过积分电路将其变为三角波。也可以先产生三角波,再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的发展,新的材料层出不穷,开发信号发生器,方案与器件的可选择行多种多样。所以,从技术上讲,项目是可行的。1.4设计任务和要求尽可能利用DDS造波方法实现正弦信号
18、的产生,如果实现基本功能后可增加其他波形信号的产生。2.方案与工作原理2.1方案设计2.1.1方案一用分立元件组成的函数发生器。分立器件是相对于集成芯片而言的。随着科学技术的不断发展,人们渐渐步入电子时代,分立器件也被也被广泛应用到消费电子、计算机与外设、网络通信,汽车电子、led显示平等领域。它包括:半导体二极管、半导体三极管、电容、电阻、逻辑器件、传感器、敏感器件以与装好的压电晶体类似半导体器件等。 用分立器件组成的函数信号发生器通常机构简单、成本较低。但是由于元器件的分散性与环境条件的改变等因素,致使波形频率产生偏差,它通常是单函数发生器且平率不高,其工作不很稳定,不易调试。2.1.2
19、方案二用晶体管、运放IC等通用器件制作的函数信号发生器。函数信号发生器可以由晶体管、运放IC等通用器件制作,更多的则是用专门的函数ixnhao发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC,如L8038、BA205、XR2207、/209等,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高的频率信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。 由于用通用器件制作的函数信号发生器同样具有频率不高的缺点,因此,在本论文设计中,此种方案也不宜采用。2.1.3 方案三采用DAC0832通过查表得方式输出需要的波形,通过单片机定时向DAC转化器发送转换数据,实现不同的幅值和频
20、率的输出。这种方法能够实现各种需要的波形的输出,成本也不高,只是在扩展外设的时候浪费了大量的接口,以后的系统扩展可能会有影响。2.1.4 方案四利用专用直接数字合成DDS芯片制作的函数信号发生器。DDS有如下优点:(1)频率分辨率高,输出频点多,可达多个频点(N为相位累加器位数);(2)频率切换速度快,可达us量级;(3)频率切换时相位连续;(4)可以输出宽带正交信号;(5)输出相位噪声低,对参数频率源的相位噪声有改善作用;可以产生任意波形;(7)全数字化实现便于集成,体积小,重量轻。DDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百赫兹不等,芯片从一般功能到集成有D/A转换器和正交调制器。DDS有上述诸
21、多优点,而且利用直接数字合成DDS芯片实现的函数信号发生器能够产生任意波形并达到很高的频率,克服了方案一、方案二的多数缺点,故本设计采用方案四。2.2 DDS工作原理直接数字频率合成器(DDFS)的基本原理:DDS是利用采样定理,根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码,然后储存在EPROM中构成一个正弦查询表,通过查表法产生波形。它是由参考时钟、相位累加器、正弦查询表和DA转换器组成,如图2.2所示。图2.1 直接数字频率合成原理框图相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成,其原理框图如图2.2所示。每来一个时钟脉冲Fc,N位加法器将频率控制数据K与累加寄存器输出的累加相位数据相加,
22、把相加后的结果Y送至累加寄存器的输入端。累加寄存器一方面将在上一时钟周期作用后所产生的新的相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一时钟的作用下继续与频率控制数据K相加;另一方面以相加后的结果形成正弦查询表的地址,取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值,作为取样地址值送入幅度/相位转换电路(即图2.1中的波形存储器)。这样就可把存储在波形存储器的波形抽样值(二进制编码)经查找表查出,完成相位到幅值转换。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。图2.2 相位累加原理框图由此可以看出,相位累加器在每一个时钟脉冲输入时,
23、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。当相位累加器加满量时就会产生一次溢出,溢出频率就是DDS输出的信号频率。相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数一样,在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下,由于相位累加器的相位增量不同,将导致一周期的取样点数不同,输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位,则可以对输出信号进行相位控制。由采样原理可知,如果使用两个一样的频率合成器,并使其参考时钟一样,同时设定一样的频率控制字、不同的初始相位,那么在原理上就可以实现输出两路具有一定相位差的同频信号。2.3 DDS移相原理所谓移相是指两路同频的信号,以
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