(完整版)单片机课程设计.doc
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1、淮 海 工 学 院课程设计报告书题 目: 信号发生器 学 院: 电子工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 电气141 姓 名: 评语:成绩:签名:日期:学 号: 基于DDS技术的数控信号发生器的设计1 引言1.1 课题研究意义DDS正弦波信号发生器能对输出电平进行调节,输出各种波形,把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平,并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。在跳频技术、无线电通信技术方面有着重要的作用。传统的正弦波信号发生器大多是基于模拟电子技术制作的,这种信号员制作简单,成本低廉,但是他的缺点也很多,比如不便于存储,频率稳定性差,失真度高等。DDS是
2、以全数字技术,从相位出发直接合成所需波形的一种新的合成原理。本设计采用DDS和单片机技术相结合,以DDS芯片AD9850为核心设计了一种幅度、相位、频率都可以调节的正弦波信号发生器,它不仅能克服传统的正弦波信号发生器的缺点,而且由模拟乘法器产生调幅电路、采用数字键控的方法实现二进制PSK、ASK信号,且频带较宽、频率稳定度高,波形良好。设计目标是用DDS芯片AD9850,产生0KHz2MHz范围、步进1KHz可调、输出峰峰值在6V的正弦波基本信号。以AVR单片机Atmegal6为控制核心,结合FPGA辅助逻辑控制电路,对实现的正弦波基本信号进行幅度、频率、相位调制和调制度及频偏的程序控制。以论
3、文总体分为显示电路设计、DDS电路设计、低通滤波器设计、单片机核心控制电路设计。本设计完成的主要工作有:(1)以DDS芯片为核心,比较不同类型的DDS芯片特点,最终选取AD9850为核心进行信号发生器的系统设计、硬件设计、布板。(2)使用汇编语言对单片机STC12C5410AD进行软件设计和实现,并对AD8950进行控制进而产生各种信号。(3)验证系统方案,对系统进行测试,使系统达到指标要求,在一定基础上对系统进行改进。1.2 本课设研究内容系统功能要求:由单片机控制DDS芯片来实现对输出信号频率和相位的调整,并且可以实现多种频率设定功能,具有调频,点频,扫频工作模式,并且通过液晶显示器将频率
4、值显示出来。系统要求进行以下几个方面的设计:1)显示电路设计;2)DDS电路设计;3) 低通滤波器设计;4)单片机核心控制电路;2 设计方案论证21 总体设计指标单片机控制DDS芯片来实现对输出信号频率和相位的调整,并且可以实现多种频率设定功能,具有调频,点频,扫频工作模式,并且通过液晶显示器将频率值显示出来。22 显示电路设计选择由于采用LCD液晶显示器显示,所能够表达的信息较普通数码管丰富的多,面对于本系统显示的信息又很多,所以如果能采用普通数码管来显示,则将严重影响设计出来的系统的运行效果,操作界面差,占用硬件资源多,而液晶显示器具有以下优势:1:结构简单,体积小,质量轻。2:功耗小,散
5、热小。液晶显示器的功耗可以控制在数十uW/cm以下,其在长时间工作后的发热量远远低于LED显示器。3:精确还原画面,文字笔画锐利,无论是视觉上还是物理上,液晶是完全平面的显示器。4:画面不闪烁,液晶是属于受光型显示器件,背光板的工作是恒定的,其显示画面内容只在画面内容出现变化时才能才能更改液晶的扭转情况。影响画面闪烁的只可能是背光板的光线,而背光板的是以75kHZ左右的频率工作的,所以液晶显示器画面非常稳定,不会出现闪烁现象。5:辐射小,只有液晶显示器驱动电路才可能出现轻微的电磁泄露。6:屏幕调节简单,方便。为此,本设计的显示电路采用带中文字库的LCD液晶显示器显示。为了节约硬件资源,这里选用
6、具有串行通信功能的LCD,型号为12232F。23 DDS电路设计选择DDS主要有两种方案,结合本系统实际我们只讲我们系统用到的。即采用高性能的DDS单片电路的解决方案。随着微电子技术的飞速发展,目前为止市场上性能优良的DDS产品不断推出,主要有Qualcomm,AD,Sciteg,和Stanford等公司的单片电路。Qualcomm公司推出的DDS系列的Q2220,Q2230,Q2240和Q2368,其中Q2368的时钟频率为130MHZ,分辨率为0.03HZ,变频时间为0.1us,美国AD公司也相继推出了他们的DDS系列,AD9850,AD9851,可以实现线性调频的AD9852,两路正交
7、输出的AD公司AD9854以DDS为核心的QPSK调制器AD9853,数字上变频器AD9856和AD9857.AD公司的DDS系列产品以其较高的性价比,取得了极为广泛的应用。考虑到实际硬件制作时元器件的购置,这里采用了AD9850芯片。芯片性能如下:1.输出频率带宽:AD9850的输出频率带宽理论值为50%f,考虑到低通滤波器的特性和设计难度,实际的输出频率带宽定在20%f,本设计输出的频率为010MHz,这样有很好的幅频特性。2.频率转换时间:DDS是一个开环系统,这种结构使得DDS的频率转换时间极短,在DDS的频率控制字改变之后,需经过一个时钟周期后才能按照新的相位增量累加,以实现频率的转
8、换。3.频率分辨率:AD9850在频率50MHz标准参考频率时的分辨率可达0.0116Hz,本频率发生器在1MHZ一下时,频率输出的调节时间隔设为1MHz,在1MHZ以上时,频率输出的调节时间间隔设为1kHz。4.输出频率的信号幅度:在没有高频放大的情况下,从AD9850输出端可直接得到1v的正弦波信号。24 低通滤波器的设计由于输出实际上是时间极短的取样数据,所以DDS发生器输出的是一个阶梯正弦波,必须经过低通滤波器将波形中所含的高次谐波滤除掉。输出信号总谐波分量畸变量(m)与两主频率(fm和f)之比(m=fmc/f)有关:m值越大,谐波畸变越小;m值较小时,谐波畸变较大。为消除m较小的谐波
9、畸变,输出端采用LC高阶低通滤波器滤除高次谐波。为了使通带内有稳定的响应和一定窄的过渡带,设计中采用椭圆低通滤波器。25 与PC机串口通信设计为了使烧写程序更快捷方便,可以直接从PC机通过串口将程序写入单片机。进行串行通信时要满足一定的条件,比如计算机的串口RS-232电平的,而单片机的串口是TTL电平的,两者之间必须有一个电平转换电路。可以采用专用芯片MAX232进行电平转换。2.6系统总体电路实现框架3 硬件电路设计该硬件电路包含了DDS电路、显示电路、低通滤波器电路、单片机核心电路按键电路、电源电路。灵活的运用了Computer Altium Designer 14软件和电子线路CAD教
10、材,经过好几位同学的共同努力,终于做出了一份像样的电路原理图。我们通过图书馆查询资料,网上搜索相关文献与期刊,做出了最终的电路原理图。电路原理图所示如下31 STC单片机主要应用特点3.1.1 STC12C5410AD的主要技术特点1.增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU。2.工作电压;5.53.4V(5V单片机)3.工作频率范围:035MHz,相当于普通8051的0420MHZ,实际工作频率可达48MHz。4.片上集成512字节RAM,10KB ROM。5.用用I/O口,复位后为准双向口弱上拉。6.ISP可在系统编程,无需专用编辑器。7.具有E2 PROM功能及看门狗定时器。8.内
11、部集成了MAX810专用复位电路。9.时钟源:外部高精度晶体/时钟或内部RC振荡器。用户在下载程序时,可选择是使用内部RC振荡器还是外部晶体/时钟,常温下,内部RC振荡器频率为5.26.8MHz。10.共两个16位定时/计数器,外部中断两路,下降沿中断或低电平触发中断。11.PWM(4路)/PCA12.10位精度ADC,工8路。13.工作范围:075/-40+85。14.封装:PDIP28,SOP28,PDIP20,PLCC32和TSSOP。3.1.2 STC12C5410AD引脚功能说明STC12C5410AD各引脚功能如下:引脚1:RST,复位端引脚2:p3.0(第二功能为RXD串行输入口
12、)引脚3:p3.1(第二功能为TXD串行输出口)引脚4:XTAL1接外部晶体的另一个引脚引脚5:p3.2(第二功能为外中断0)引脚6:p3.3(第二功能为外中断1)引脚7:p3.4(第二功能为定时器0)引脚8:p3.5(第二功能为定时器1)引脚9:GND,电源负端引脚10:p3.7(第二功能)引脚11:p3.7(第二功能为高阻态输入等)引脚12:p1.0(第二功能为ADC输入0)引脚13:(第二功能为ADC输入1)引脚14:(第二功能为ADC输入2)引脚15:(第二功能为ADC输入3)引脚16:(第二功能为ADC输入4)引脚17:(第二功能为ADC输入5)引脚18:(第二功能为ADC输入6)引
13、脚19:(第二功能为ADC输入7)引脚20:Vcc电源正端32 LCD显示器的工作原理12232F是一款内置8192个16*16点的汉字库和128个16*8点ASCII字符集图形点阵液晶显示器。它主要由行驱动器/列驱动器及128*32全点阵液晶显示器组成,可完成图形显示,也可以显示7.5*2个(16*16点阵)汉字,与外部CPU接口采用并行或串行方式控制。其主要技术参数和性能如下:电源电压为+3.0V至+5.5V(电源电压低于4.0V时,LED背光需另外供电);显示内容为122(列)*32(行)点;全屏幕点阵;2MHz频率;工作温度为0至+60,存储温度为-20至+70。1.2.1 12232
14、F(带汉字库)引脚功能表格所列为12232F液晶屏显示器并行使用时的引脚功能定义:3.2.2 12232F与单片机串行通信为节约硬件资源,12232F应用时与单片机的通信采用串行方式,单片机使用4个输出端口。其连接原理图如图所示。通过调节连接在LCD上的Vee脚上的可变电阻器可以改变液晶显示时的灰度,CLK用来传送串行时钟,SID用来传送串行数据,CS用来进行液晶的使能控制,BL+用来控制液晶背光灯电源。33 DDS电路的设计3.3.1 AD9850的功能介绍AD9850是一款采用32位频率控制字的DDS芯片,最大时钟频率为125MHz。本设计中采用50MHz,输出正弦波频率时的分辨率可达0.
15、01164Hz。按AD9850芯片手册说明,结合实际输出波形测试,本设计的输出频率带宽限制在10MHz,及FCONB取值不能大于0.2*232。单片机与AD9850通过串口传送频率控制数据,其中AD9850第7引脚(W_CLK)为控制字移位时钟,第8引脚(FQ_UD)为频率更新控制口,第25引脚(D7)为串行移位数据输入口。AD9850的DAC输出两个互补的模拟电流(第20、21引脚),若要调节DAC满量程输出电流,需调整第12引脚的外接电阻。其输出电流与电阻关系为I=32*(1.248V/R),当电阻为3.9k时,DAC的输出电流约为10mA,这样在100的负载上可得到峰-峰值约为1V的正弦
16、波。AD9850引脚图如图所示。3.3.2 AD9850的功能介绍如图所示为AD9850内部结构原理框图。当输出改变时,AD9850的波形是相位连续的。DDS电路主要起数字分频作用,其增量是受参考时钟经控制字的2N分频控制。相位累加器是一种系数可变的计数器,在每次接收到时钟脉冲信号时将数字增量数字存储。当计数器溢出时,限制增加相位累加器的触发输出。频率控制设置计数器的系数有变,决定了增量的大小,使得在下一个时钟脉冲到来时相位计数器获得更多的值。大的增量使计数器更快的溢出,这样导致更高的频率输出。AD9850采用独有的控制算法,以适当的CMOS值,使相位计数器的14为数值得到转变。独特的控制算法
17、大量的减少了Rom内存(采用DSP技术完成这项功能),就使得AD9850变得尺寸更小、功耗低。34 电源的设计由于单片机系统的工作电压只要5V就可以了,所以可用最简单的降压稳压电路,其原理图如图所示。其中,变压器的参数为220V输入,9V输出,稳压器采用LM7805,可以稳定的输出5V电压;滤波电容采用1000微法和0.1微法。35 其他电路为了使操作更方便、清晰并完善系统功能,应设计按键接口电路和LED指示灯电路,通过按键,操作者可以使用各种方式实现对输出频率值的可调,主要采用跳频、点频和扫频等操作方式。LED用来指示各种功能所处的状态,灯亮时为对应的功能正处在工作状态。4 软件程序设计41
18、 LCD显示部分软件12232F液晶的指示功能表如下两表所列(模块控制芯片提供两套控制命令、基本指令和扩充指令)。当LCD在接收指令前,微处理器必须先确认其内部处于非忙碌状态,即读取BF标志时,BF需为零,方可接受新的指令。如果再送出一个指令前并不检查BF标志,那么在前一个指令和这个指令中间必须延长一段较长的时间,级等待钱一个指令确实执行完成。12232F液晶显示器的操作主要由初始化程序、写命令程序和写数据程序等组成。初始化程序主要负责上电时的液晶显示区清除、功能设定、地址归为、开关显示和设定显示地址等。初始化程序流程图如图所示。42 AD9850控制程序在串口操作方式下,AD9850的第2引
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