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1、目 录摘 要1Abstract11概述11.1 DDS技术简介11.2系统概述21.3主要技术及性能指标22总体设计2 2.1系统框图22.2工作原理23系统方案论证34系统所用主要器件介绍4 4.1 AD9850芯片介绍4 4.2 AT89C51芯片简介75硬件电路95.1键盘扫描及显示电路模块95.2 AD9850波形产生电路模块106软件设计126.1程序流程126.2键盘及显示部分程序126.3 AD9850波形产生程序147设计的制作与调试147.1硬件调试147.2 软件调试148结束语15参考文献15致谢16附录17DDS信号源设计摘 要：直接数字合成（DDS）是一种重要的频率合
2、成技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，在雷达及通信等领域有着广泛的应用。本文介绍了一种直接利用DDS（直接数字频率合成器）芯片AD9850及单片机AT89C51组成的简单的DDS信号发生器的设计，讨论了频率和相位控制字的计算方法以及标准正弦信号、调频信号的产生方法，给出了相应的硬件电路和软件流程。关键词：直接数字频率合成；AT89C51；AD9850；信号发生器Design of the Signal Source Based on DDSAbstract: Direct digital synthesis is a kind of important technique on freque
3、ncy synthesis. It has many advantages， such as higher frequency resolution， faster frequency transform， and so on. It is widely used in radar， communication and many other fields. This paper presents the design of a simple DDS signal generator which consists of AD9850 and AT89C51.discusses the metho
4、d of controlling word with frequency and phase， as well as the way of generating standard sinusoidal signal and frequency modulated signal. Finally， it gives structure of the hardware circuit and software.Key words: Direct digital synthesis；AT89C51；AD9850；Signal generator1概述1.1 DDS技术简介近年来，随着频率合成技术广泛
5、应用于现代无线电通信和电子技术的各个方面，DDS技术得到了迅猛发展。目前频率合成主要有三种方法：（1）采用传统的直接频率合成器对模拟信号进行频率合成，其优点是频率合成速度快、噪声低；缺点是需要以引入大量分频、倍频、混频和滤波电路为代价，使电路复杂、体积庞大、成本高，电路调试困难。而且，这种设计方法只能实现标准波形的频率合成，而对于我们所要求的对标准波形的线性叠加却无法实现1。（2）采用锁相环式频率合成器对模拟信号进行频率合成，其优点是避免了使用大量的分频、倍频和滤波电路，使电路大大减化；缺点是频率转换时间较长，无法实现高精度的高频合成；同时通过模拟手段产生的信号幅度、频率等参数很不稳定，并且电
6、路无法实现对标准波形的线性叠加功能2。（3）采用直接数字频率合成技术（DDS）产生波形，其优点是简单可靠、控制方便，具有很高的频率分辨率和转换速度，非常适合快速频率转换技术的要求。使用了数字信号，克服了模拟信号冗余量大不易处理的缺陷，使标准波形的线性叠加过程简化为对浮点数字的运算过程，使得通过程序现实标准波形的线性叠加成为可能。其缺点是输出信号中含有大量杂散谱线，难以抑制谐波等问题3。DDS技术可以产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号，使得DDS技术在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用。本设计采用AT89C51单片机控制DDS芯片AD9850，外部配以滤波器、
7、波形变换电路，可输出正弦信号及方波、锯齿波，在要求不很高的场合可满足要求。1.2系统概述该系统主要由硬件和软件两部分组成，以AT89C51单片机和可编程逻辑器件AD9850为核心，在运行时，通过六位数码显示管直观的显示当前输出的波形信号的频率。在达到设计基本要求的基础上，可以通过进一步扩展硬件电路和改进软件编程提高系统部分性能。1.3主要技术及性能指标（1）实现正弦波、方波、锯齿波及FM调制信号输出，FM调制信号输出频偏在0100KHZ；（2）信号输出幅值（FM和正弦波）为200mv，其余信号输出幅值为TTL电平；（3）信号输出阻抗：5070。2总体设计2.1系统框图系统由单片机AT89C51
8、、8279芯片、数码管、小键盘、AD9850、低通滤波、放大电路模块组成。框图如图1所示4：2.2工作原理本文设计的DDS信号源能产生的频率为 0Hz100KHz，可控步长为 1Hz。控制界面为一个简易的4*4键盘和6个七段数码管，本系统采用8279芯片和74LS164芯片来完成键盘的自动扫描和数码管的显示驱动。而控制中心则采用 Atmel 公司的AT89C51 单片机来完成对 AD9850芯片和8279 芯片的控制。在键盘上输入需要的输出信号源频率值，单片机将按键值通过程序转化为与AD9850对应的 40bit 的控制字，并送入 AD9850 中，就可以产生所需要的信号源。AD9850 产生
9、需要频率的信号，再经低通椭圆滤波，放大后就可以作为信号源使用。单片机AT89C518279芯片数 码 管小 键 盘AD9850低通滤波器放 大 图1 DDS信号源的设计组成框图3系统方案论证该系统的硬件电路组成框图如图2所示5。单片机AT89C51射极跟随器波形变换电路输出方 波波形变换电路AD9850椭圆滤波电路正弦波小键盘8279芯片控制信号 键盘扫描控制信号显 示放 大锯齿波图2 硬件电路主要组成框图该系统通过8279芯片对小键盘的输入进行扫描，同时将扫描到的信号以十进制方式通过六位七段数码管进行显示，并将扫描到的键盘输入信号输入到单 片机AT89C51，AT89C51根据接收到的控制信
10、号对AD9850发出控制信号，控制AD9850产生相应频率的正弦波，该正弦波可以直接输出，同时如果将该正弦波在经过椭圆滤波器后再输入到AD9850的同相比较器，可以产生相应频率的方波，该方波可以直接输出，也可以在经过波形变换电路之后变换成锯齿波，在本系统中产生的所有波形，都可以在接入射极跟随器后，直接驱动负载进行工作。由以上可以看出本方案可以产生我们所需要的波形，该方案具有可行性。4系统所用主要器件介绍4.1 AD9850芯片简介AD9850是AD公司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。它采用先进的CMOS工艺，最高时钟速率为125M
11、HZ。4.1.1 AD9850的封装AD9850采用CMOS工艺，其功耗在 3.3V供电时仅为 155mW，扩展工业级温度范围为-4080，采用28脚 SSOP表面封装形式。它的实际引脚排列图如图3所示6。图3 AD9850引脚排列图4.1.2 AD9850的组成微控制器相位控制 字频率控制字相位累加器相位寄存器正弦查询表DACLPF比较器正弦波输出方波输出AD9850的组成框图如图4所示7。图4中层虚线内是一个完整的可编程 DDS系统，外层虚线内包含了 AD9850的主要组成部分。图4 AD9850的组成框图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
12、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 2432。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长 M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入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 0360范围的一个相位点。查询表把输入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。 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
13、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，查询表的输出再位后输入到 DAC，DAC再输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个被截断成10外接电阻 RSET调节，RSET的典型值是 3.9k，调节关系为 ISET=32(1.148V/RSET)。将 DAC的输出经低通滤波后接到 AD9850内部的高速比较器上即可直接输出一个抖动很小的方波。4.1.3 AD9850系统功能框图AD9850系统功能图如图5所示8。高速DDS数据输入寄存器参考时钟输入主复位频率更新及数据寄存器复位字装入时钟1位40串行装入8位5并行装入频率、相
14、位和控制数据输入比较器AD9850+GNDDAC Rset模拟输出模拟输入CLOCK OUT串行装入并行装入频率/相位数据寄存器相位控制字-相位频率控制字+10位DAC图5 AD9850的系统功能框图AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之间后就可产生一个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经内部的高速比较器转换为方波输出。在 125MHz的时钟下，32位的频率控制字可使 AD9850的输出频率分辨率达0.0291Hz；并具有5位相位控制位，而且允许相位按增量180、90、45、22.5、11.25或这些值的组合进行调整 。4.1.4 AD9850的
15、控制字与控制时序AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制。一位用于电源休眠(power down)控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到 AD9850，图 6是控制字并行输入的控制时序图9。DATAW_CLKFQ_UDREF CLKCOS OUTW0W1W2W3W4Valing DataNew Freq(Phase)图6 AD9850控制字并行输入时序在并行装入方式中，通过 8位总线A0D7将可数据输入到寄存器，在重复 5次之后再在 FQ-UD上升沿把 40位数据从输入寄存器装入到频率/相位数据寄存器（更新 DDS输出频率和相位），同时
16、把地址指针复位到第一输入寄存器。接着在 W-CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个 W-CLK上升沿后，W-CLK的边沿就不再起作用，直到复位信号或 FQ-UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。在串行输入方式 W-CLK上升沿把 25引脚的一位数据串行移入，当移动 40位后，用一个 FQ-UD脉冲即可更新输出频率和相位。AD9850的复位（RESET）信号为高电平有效，且脉冲宽度不小于5个参考时钟周期。它的参考时钟频率一般远高于单片机AD9850频率，因此 AD9850的复位（RESET）端可与单片机的复位端直接相连。 值得一提的是：用于选择工作方式的两个控制位，
17、无论并行还是串行最好都写成 00，并行时的 10、01和串行时的10、01、11都是工厂测试用的保留控制字，不慎使用可能导致难以预料的后果。4.2 AT89C51芯片简介图7 是AT89C51的引脚图，引脚说明如下10:图7 51系列单片机引脚图 VCC：AT89C51电源正极输入，接+5V电压。GND：电源接地端。XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。XTAL2: 接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。RS
18、T: AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。 ALE/PROG: ALE 是英文ADDRESS LATCH ENABLE的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访问外部存储器时，ALE 信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如 74LS373)，将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间
19、，将以1/12振荡频率输出。 EA/VPP：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部 EPROM 中)来执行程序。因此在 8051中，EA 引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 AT89C51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC 值超过片内程序存储器地址(如8051/8751/89C51的PC 超过 0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。 此外，在将程序代码烧录至 8751 内部 EPROM、AT89C51内部 FALSH 时，可以利用此引脚来输入提供编程电压（8751为2lV、AT89C51为
20、 12V、8051是由生产厂方一次性加工好)。 PSEN：此为Program Store Enable的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN 信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时亦不产生PSEN 信号。P0：P0 口(P0.0P0.7)是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低 8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 IO 口用。P0 口每一个引脚可以推动 8个LSTTL负载。P2：P2 口(P2.0P2.7)口是具有内部提升电路的双向
21、I/0 端口(准双向I/O 口)，当访问外部程序存储器时，它是高8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 IO 口用。每一个引脚可以推动 4个LSTL负载。P1：P1 口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行I/O 口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3：P3 口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下： P3.0：RXD串行通信输入 P3.1：
22、TXD串行通信输出 P3.2：INT0 外部中断 0输入，低电平有效 P3.3：INT1 外部中断 1输入，低电平有效 P3.4：T0计数器 0外部事件计数输入端 P3.5：T1计数器 1外部事件计数输入端 P3.6：WR外部随机存储器的写选通，低电平有效 P3.7：RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效5硬件电路5.1键盘扫描及显示电路模块该系统的键盘采用4*4的小按键自制键盘，利用AT89C51单片机芯片的P0口对其进行扫描，同时，利用74LS164来驱动六位七段数码管，使其对键盘扫描结果进行显示。图中6个显示器采用共阳级LED，具体电路11如图8，具体参数见图上标注。图8 键盘控制显示
23、电路按键与上电复位电路如图9所示。图9 按键与上电复位电路外部晶振电路：为满足AT89C51的工作条件，本系统采用将12MHz的外接无源晶体振荡器接入到单片机的XTAL1和XTAL2引脚之间来提供AT89C51的外部时钟信号。同时，为了使晶振能有稳定的频率并能快速起振，在晶振的两端并联两个电容器C2和C3。具体连接电路如下图10所示：图10 外部晶振电路5.2 AD9850波形产生电路模块对本系统的波形产生模块，我采用了ATMEL公司的DDS专用芯片AD9850，该芯片可以在单片机的控制下，自动产生频率与控制信号相符的正弦信号，同时，它自带的比较器还可以将正弦信号转换成同频率的方波信号进行输出
24、。在这一部分AT89C51单片机主要实施逻辑控制功能：根据用户选择产生波形，形成频率字，与上位机通信等。波形、幅值的控制主要由数字电位器构成，即由AT89C51的2根口线对其进行控制。电路设计时，由于AD9850对时钟信号的质量要求比较高，即时钟信号的上升沿和下降沿无大的尖峰和凹坑，时钟信号必须用地线屏蔽。另外，给AD9850的时钟信号不能低于1MHz，低于这个数值时，芯片将自动进入休眠状态；当高于此频率时，系统则恢复正常。最后还要考虑设计良好的去耦电路，去耦电容尽可能靠近器件，并注意良好接地，模拟地和数字地一定要分开等。具体电路如图11所示，具体参数见图上标注12-14。图11 波形产生变换
25、电路波形变换模块：本设计采用两个限幅二极管与放大器LM386构成锯齿波变换电路。具体电路如下图12所示。图12波形变换电路信号输出模块：主要是一个典型的以晶体管9018为核心构成的射极跟随器，信号经过这个射极跟随器后，能直接驱动负载。其具体电路如下图13所示。图13射极跟随器6软件设计6.1程序流程程序流程图如下图14所示：6.2键盘及显示部分程序从键盘获得输入频率控制字和相位控制字的BCD码，并把 BCD码转为二进制然后根据频率与相位的公式，计算出频率与相位的控制字。通过程序控制，可以逐行对键盘进行扫描。通过按键输入数值，并在数码管上显示。具体源程序见附录一15。复 位初始化读取AD9850
26、控制字显示输出频率和幅度值写控制字查询键值控 制 字 改 变？图14 程序流程图6.3 AD9850波形产生程序软件编程主要是根据 AD9850 的控制字方式，把具有不同功能的控制字写入到芯片内部。以并行输入方式为例 ，对AD9850 操作的40位控制字各位的功能如表 1 所列。在这种方式下当外部参考时钟频率为30MHz的情况下，如果要满足以下几种技术要求。（1）1 6倍参考时钟倍乘器工作；（2）相位置于 11.25；（3）选择power2up模式；（4）输出信号频率为100KHz。40位控制数据应按如下给出： （1） （2）W0 =00001001； W1 =00001110；W2 =001
27、11000； W3 =11100011；W4 =10001110。由以上数据并根据芯片相应的控制方式，在AD9850复位后，由单片机给出合适的 W_CLK和FQ_UD 信号，即可通过简单的操作完成预期的功能。具体源程序见附录二4。7设计的制作与调试7.1硬件调试在这一阶段，分别对硬件电路中的放大电路，显示电路，波形变换电路，椭圆滤波器，射极跟随器部分进行测试，以确定硬件电路能够正常工作。其部分单元电路的具体调试结果如下所示。（1）波形变换部分：输入信号为U=1.4V，F=2.38KHz的方波信号时，输出为U=1.2V，F=2.38KHz的锯齿波信号。除信号幅度有所衰减外，其他一切指标符合设计要
28、求。（2）射极跟随器部分：输入信号为U=0.25V，F=250Hz的正弦波信号时，输出为U=0.3V，F=250Hz的正弦波信号，测试指标符合设计要求。7.2软件调试程序写好后，用伟福编译软件进行编译检查，没有语法错误。在伟福调试软件中再对程序进行单步运行，通过各窗口观察程序每一步的执行结果，程序工作正常，程序调试结束。把调试好的程序用TOP51编程器写入单片机AT89C51，然后运行整个系统，并修改程序参数使系统能够工作在所需要的状态。8结束语 通过本次DDS信号源的电路的设计，我大有收获。从得到题目到查找资料，从对题目的研究设定到PCB电路板的制作，从电路板的调试到失败后再一次全部重新开始
29、在这一个充满挑战伴随挫折的过程中，我感触颇深，它已不仅是一个对我大学学习掌握知识情况和实际动手能力的检验，而且也是对我的钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的的考验，我在这个过程中深刻感受到了做毕业设计的意义所在。参考文献：1 王玉珍，李袁柳直接数字式合成技术的应用J计算机应用，2003，3(1)：2032 柳利军，周敏锋一种简单的短波DDS 的设计J现代电子技术，2002，7(1)：84-87 3 李江南一种基于DDS的改进信号合成电路设计J半导体设计，2007，5(3)：431-4364 沙胜贤，李天宇直接数字合成器的设计J长春工程学院学报（自然科学版），2006，5(3)：354-
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32、EY.INC，1975：203-24615 A Technical Tutorial on Digital Signal SynthesisJDatasheet of Analog Devices，1999致谢在整个毕业设计过程中，指导教师龚克老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，以及设计中的具体问题，他都严格把关、循循善诱。同时，导师渊博的知识、开阔的思路、高度的责任感与严谨的治学作风更是我学习的典范，在此向导师致以最崇高的敬意和最诚挚的感谢！同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心和帮助过我的同学和朋友。附录; P3.4为八位74HC164输入P3.5为时钟; 50
33、，51，52，53，54，55，56，57存显示缓存 bcd码; 3D，3E，3F，40，41频率缓存 AD9850contrl 字;端口定义;74hc164DAT EQU P3.4CLK EQU P3.5;ad9850DATA7 EQU P3.3w_clk EQU P3.7FQ_UD EQU P3.2;除法地址dbuf06 equ 20hdbuf08 equ 3dhdbuf10 equ 70horg 0000hljmp start;初始化start:mov 50h，#0h ;显示频率置初值 可以自选 十进制，单位Hzmov 51h，#1hmov 52h，#0hmov 53h，#0hmov 54h，#0hmov 55h，#0hmov 56h，#0hmov 57h，#0hlcall SETUP_AD9850lcall value19