最新用单片机实现多功能频率信号发生器.docx
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最新用单片机实现多功能频率信号发生器
太原科技大学
毕业设计(论文)
设计题目:
用单片机实现多功能频率信号发生器
姓名
学院(系)
专业
年级
指导教师
2010年月日
摘要
本设计在对直接数字频率合成的原理及其输出信号的性能进行分析的基础
上,采用直接数字频率合成(DDS)的设计方法,对任意波形发生器进行电路设计,利用单片机实现对输出频率和相位的预置及显示的软件控制,通过通信接口下载任意波形数据实现波形数据更新,可产生高分辨率任意波形。
本文对硬件电路设计进行研究,完成了电源模块、单片机系统、DDS芯片等硬件电路设计。
论文最后给出了系统的测量结果,并对误差进行了一定分析。
关键词:
波形发生器;单片机;DDS芯片;正弦波;双极性
Designofmulti-frequencySignal--generatorControlledbySingle-chipMicro-computer
ABSTRACT
Thedesignsoftwareandhardwarecombinationoftheadvantagesoffulluseofthesoftware,playtotheirstrengthsasmuchaspossibletoreducehardwareoverhead.Quicklyandeasilygenerateaspecificfrequencyandamplitudeofthewaveformdata;insingle-chipcontrol,theuseofthecircuitgeneratedaddress,readdata,DDS,toobtaintherequiredwaveformsignals.Whiletheoutputwaveformdatastoredindatamemory,soyoucanensurethatthewaveformdataisnotlostafterpower-down.
第一章绪论
1.1研制任意波形发生器的意义
波形发生器是一种广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域的信号源。
比如电参量的测量、雷达、通信、电子对抗与电子系统、宇航和遥控遥测技术等等,从某种意义上说高品质信号源更是实现高性能指标的关键,很多现代电子设备和系统的功能都直接依赖于所用信号源的性能,因此高品质信号源被人们喻为众多电子系统的“心脏”。
随着通信、雷达、的不断发展,对信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出频率的个数以及信号波形的形状提出越来越多的要求。
为了提高信号源输出频率稳定度,可以采用晶体振荡器等方法来解决。
为了满足频率个数多的要求,可以采用频率合成技术,即通过对频率进行加、减、乘、除的运算,可从一个高稳定度和高准确度的标准频率源,产生大量的具有同一稳定度和准确度的不同频率。
传统的波形发生器只能产生一些常规的信号如正弦波、方波、脉冲波、三角波等。
随着科学实验研究的需求的不断发展,传统的波形发生器在一些特定的场合已经不能满足要求,因为在许多应用研究领域中,不但需要一些规则的信号,而且还需要一些不规则的信号用于系统特性的研究。
如电镀电源对于镀层影响、电子设备的性能指标测试、及对系统中各种瞬变波形和电子设备中出现的各种干扰的模拟等研究中,就需要能提供一些非常规的测试信号以至于任意波形信号的信号源,即能产生现场所需要波形的任意波形发生器(ArbitrarryWaveformGenerator。
AWG)。
对任意波形发生器的研制开发我国起步晚,技术大大落后于国外先进技术。
因此,开发高性价比的任意波形发生器是迫在眉睫,对发展我国电子行业有着非常重大的意义,具有广泛的应用前景,与国外同类产品保持在性价比上的优势,可打破国外的技术垄断和封锁。
1.2国内外动态
运用DDS技术是设计任意波形信号发生器的一种通用手段,DDS不仅可以产生正弦波同时也可以产生任意波,这是其他频率合成方式所不具有的特点,任意波在各个领域有着广泛的应用。
通过DDS这种方法产生任意波是一种简单、低成本的方法,通过增加波形点数可以使输出达到很高的精度,这都是其他方法所无法比拟的。
自80年代以来各国都在研制DDS产品,并广泛的应用于各个领域。
其中以AD公司的产品比较有代表性。
如AD7008、AD9850、AD9851、AD9852、AD9858等。
其系统时钟频率从30MHz到300MHz不等,其中的AD9858系统时钟更是达到了IGHz。
这些芯片还具有调制功能。
如AD7008可以产生正交调制信号,而AD9852也可以产生FSK、PSK、线性调频以及幅度调制的信号。
这些芯片集成度高,内部都集成了D/A转换器,精度最高可达12bit。
同时都采用了一些优化设计来提高性能。
如这些芯片中大多采用了流水技术,通过流水技术的使用,提高了相位累加器的工作频率,从而使得DDS芯片的输出频率可以进一步提高。
通过运用流水技术在保证相位累加器工作频率的前提下,相位累加器的字长可以设计得更长,如AD9852的相位累加器达到了48位。
而不是之前型号的32位,这样输出信号的频率分辨率大大提高了。
同时,为了抑止杂散,这些芯片大多采用了随机抖动法提高无杂散动态范围,从而提高输出频谱的无杂散动态范围(SFDR)证1。
运用DDS技术生产的DDS任意波型信号发生器是较新的一类信号源,并且已经广泛投入使用。
它不仅能产生传统函数信号发生器能产生的正弦波、方波、三角波、锯齿波,还可以产生任意编辑的波形。
由于DDS的自身特点,还可以很容易的产生一些数字调制信号,如FSK、PSK等。
一些高端的信号发生器甚至可以产生通讯信号。
同时输出波形的频率分辨率、频率精度等指标也有很大的提高。
如
HP公司的HP33120可以产生lOmHz一15MHz的正弦波和方波。
同时还可以产生
lOmHz一5删z的任意波形。
还具备调制功能,可以产生AM、FM、FSK、猝发、扫频等信号。
HP公司的HP33250可以产生luHz-80MHz的正弦波和方波,产生luHz到25MHz的任意波形。
BKPRECISION公司的4070A型函数级任意波形发生器产生的正弦波和方波输出频率DC-21.5MHz,频率分辨率IOmHZ。
同时还具有AM、踟、PM、SSB、BPSK、FSK、猝发、DTiFGeneration和DTMFDetection的功能。
并且具有了和PC机良好的接口,可以通过wINDowS界面的程序进行任意波形的编辑。
除了在仪器中的应用外,DDS在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。
1.3任意波形发生器实现方式
任意波形发生器的实现方案主要有程序控制输出、DMA输出、可变时钟计数器寻址和直接数字频率合成等多种方式。
1.3.1程序控制输出方式
计算机根据波形的函数表达式,计算出一系列波形数据瞬时值,并定时地逐个传送给D/A转换器,合成出所需要的波形。
这种方式具有电路简单、实现方便等特点。
但数据输出定时不准确,会影响信号的频率和相位;波形数据输出依靠指令的执行来完成,当需要同时输出多个信号时,相邻信号通道的输出存在时间差;受计算机运行速度的限制,输出信号的频率较低。
1.3.2DMA输出方式
DMA(directmemoryaccess)方式输出不依赖于程序的执行,由DMA控制器申请总线控制权,通过地址总线给出存储器的地址信号,同时选通存储器和D/A转换器,在两者之间建立直接的数据通道,使存储器相应单元中的波形数据传送给D/A转换器转换后输出信号。
DMA方式输出信号,可以大大提高信号的数据输出速率。
但也存在一些问题,如波形输出期间,微处理器因为失去了总线控制权,无法进行其他操作;在一个DMA操作中,只能在一个D/A转换器和存储器之间传送数据,无法实现多通道的信号输出。
1.3.3可变时钟计数器寻址方式
采用可变时钟计数器寻址波形存储器表,该方法是一种传统型任意波形发生器。
原理框图如图所示.
图1.1
图中的计数器实际上是一个地址发生器,计数器的触发时钟脉冲由一个频率可以控制的频率发生器产生,通过改变频率发生器的频率设置值,实现调整计数器产生的地址变化速率,从而改变输出的任意波形的频率。
计数器产生的地址码提供读出存储器中波形数据所需要的地址信号,波形数据被依次读出后送至高速D/A转换器,将之转变为模拟量,经低通滤波器后输出所需的波形。
可见传统的任意波形发生器采用可变时钟和计数器寻址波形存储器表,此方法的优点是产生的地址连续,输出波形质量高。
但其取样时频率较高,对硬件的要求也较高,而且常需多级分频或采用高性能的锁相环,其中分频式的任意波形发生器频率分辨率低,锁相式的任意波形发生器频率切换速度慢。
1.3.4直接数字频率合成方式
DDS(directdigitalsynthesizer)Ⅲ是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储了将要输出波形的数据,在控制电路的协调控制下,以一定的速率,周而复始地将波形数据依次发送给D/A转换器转换成相应的模拟信号。
由于用硬件电路取代了计算机的控制,信号输出稳定度高。
如需更新输出信号,不必改动任何线路和元器件,只需改写存储器中的波形数据即可。
更主要的是,可以将微处理器从信号输出的负担中解脱出来.如图为其工作流程图。
图1.2
1.4本设计所做主要工作
1.硬件电路设计‘
·电源模块电路的设计
·单片机系统键盘与显示电路的设计
·AD9850控制电路的设计
2.软件设计
·单片机键盘处理程序的设计
·频率及相位控制程序的设计
·LED显示控制程序的设计
·波形数据更新控制程序的设计
这部分工作需要深入理解单片机的硬件环境和指令系统,熟练使用单片机环境下的c语言及仿真器。
第二章系统整体设计
2.1系统原理
在生产实践中使用的信号大多数是周期性变化的,我们把各种各样的波形在一个周期中的变化情况离散化,再根据二进制的规律进行编码,得到每一种波形所对应的波代码。
把这些波代码存储到存储器中,利用电路选择其中的一组代码输出,经过数/模转换器和放大器,获得连续变化的波形。
对于正弦等信号不便通过直接计算得到其波形数据,而其波形用较小数据量即可准确描述,可对其一周期信号抽取一定的数据,作为基本波形数据固化在单片机的程序存储器中。
以产生正弦波为例,采用定点法,即先做一个正弦函数表存于单片机的程序存储器内,通过定时器产生定时,每当定时时间到时,输出该波形在该点的正弦函数表值,周期性重复上述过程就可得到该波形输出。
当改变定时器的初值时,波形相邻两点时间间隔就改变,从而波形的频率相应改变。
通过DDS可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如:
频移键控(FSK)、二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)等。
DDS可以产生两路相位严格正交的信号,在正交调制和解调中的到广泛应用,是一种很好的本振源。
此外随着集成电路制造工艺的逐步提高,通过采用先进的工艺和低功耗的设计,数字集成电路的工作速度已经有了很大的提高。
现在最新的DDS芯片工作频率已经可以达到1GHz,这样就可以产生频带比较宽的输出信号了。
为了进一步提高DDS的输出频率,产生了很多DDS与其他技术结合的频率合成方法。
如当输出信号是高频窄带信号的时候可以用混频滤波的方法扩展DDS的输出,也可以利用DDS的频谱特性来产生高频信号,如利用较高的镜像频率输出。
DDS和PLL相结合的方法也是一种有效的方法。
这种方法兼顾了两者的优点,既有较高的频率分辨率,又有较高的频谱纯度。
DDS和PLL相结合一般有两种实现方法:
DDS激励PLL的锁相倍频方式和PLL内插DDS方式。
在雷达中通过DDS和PLL相结合可以产生毫米波线性调频信号,DDS移相精度高、频率捷变快和发射波形可捷变等优点在雷达系统中也可以得到很好的发挥。
可见,基于DDS技术的任意波形发生器能实现高稳定度、高精度、高分辨率的波形输出,具有频率切换速度快、体积小、价格便宜的特点,是一种很有发展前途的信号源。
所以本设计采用此方案。
2.2系统任务
2.1频率合成器简介
2.2.1频率合成技术概述
所谓频率合成法就是指从一个高稳定和准确的参考频率源,经过技术处理,生成大量离散的频率输出。
频率合成技术是产生频率源的一种现代化手段,已广泛应用于通信、导航、电子侦察、干扰与反干扰、遥控遥测及现代化仪器仪表中。
利用频率合成技术制成的信号发生器,通常被称为频率合成器。
频率合成器既要产生所需要的频率,又要获得纯净的信号。
从频率合成所采用的技术来看,频率合成的方法大致可分为直接合成和间接合成以及直接数字合成三种。
直接合成(DirectFrequencySynthesis,简称DS)是通过倍频器、分频器、混频器对频率进行加、减、乘、除运算,得到各种所需频率。
直接频率合成方法具有频率转换时间短、近载频相位噪声性能好等优点,但是由于大量的倍频,混频等电路,就要有不少滤波电路,使合成器的设备结构十分复杂、体积庞大、成本高,而且容易产生过多的杂散分量,难以达到较高的频谱纯度。
而且输出端的谐波、噪声及寄生频率难以抑制。
此方法只能产生标准波形,不能产生任意波形。
间接合成(IndirectFrequencySynthesis,简称IS)又称锁相频率合成
(PhaseLockedLoopFrequencySynthesis,简称PLLFS),是利用锁相环路的窄带跟踪特性来得到不同的频率。
锁相频率合成器能提供长期频率稳定度与短期频率稳定度都比较高且杂波少的信号输出。
目前在各种无线电台中使用的频率合成器普遍采用可变数字式锁相环频率合成器,通过CPU控制可获得不同的频点。
数字式频率合成器能提供长期频率稳定度与短期频率稳定度都比较高且杂波少的信号输出,特点是波道数目多、体积小、易于数字化和集成化。
但锁相频率合成器频率转换时间较长,且合成的正弦波的参数,如幅度、频率和相位较难控制。
数字锁相环构成的数字式频率合成器是目前通信、仪表、雷达等电子技术中广泛应用的一种频率合成技术。
锁相环式频率合成器具有很好的窄带跟踪特性,可以很好地选择所需频率的信号,抑制杂散分量,并且避免了大量的滤波器,有利于集成化和小型化。
但由于锁相环本身是个惰性环节,锁定时间较长,故频率转换时
间较长。
除此之外,由模拟方法合成的正弦波的参数,如幅度、频率和相位都很难控制。
同样,此方法不能产生任意波形。
直接数字式频率合成(DirectDigitalFrequencySynthesis,简称DDS或DDFS)是近年来发展起来的新的频率合成技术。
它将先进的数字处理理论与方法引入信号合成领域,标志着第三代频率合成技术的出现。
此方法是用随机读写存储器RAM存储一个波形周期的量化数据,按照不同频率要求以频率控制字为步进对相位增
量进行累加,以累加相位值作为地址码读取存放在存储器内的波形数据,经D/A转换和滤波可得所需波形输出。
通过改变频率控制字可以很方便地改变输出频率,通过更新存储器的波形数据可以得到不同的波形输出,即可实现任意波形输出。
基于DDs技术的频率合成器有很高的频率分辨率,可方便地实现频率、相位调功能,转换速度快,且输出波形的相位连续。
已广泛用于接收机本振、信号发生器、通信系统、雷达系统等,特别是跳频通信系统。
2.2DDS的基本原理及性能特点
直接数字频率合成(DirectDigitalSynthesis,简称DDS)技术是频率合成领域中的一项新技术。
DDS的设计思想完全是基于数值计算信号波形的抽样值来实现频率合成的。
DDS的工作原理是基于相位和幅度的对应关系,通过改变频率控制字来改变相位累加器的累加速度,然后在固定时钟的控制下取样,取样得到的相位值通过相位幅度转换得到与相位值对应的幅度序列,幅度序列通过数模转换得到模拟形式量化的正弦波输出。
图2.1是DDS的结构原理。
图2.1DDS结构原理图
其中相位累加器字长为N,DDS控制时钟频率为fc,频率控制字为K。
DDS直接从“相位”的概念出发进行频率合成。
相位累加器由加法器与累加寄存器级联构成。
每来一个时钟脉冲fc,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~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。
DDS的核心就是相位累加器,利用它来产生信号递增的相位信息,整个DDS系统在统一的参考时钟下工作,每个时钟周期相位累加器作加法运算一次。
加法运算的步进越大,相应合成的相位值变化越侠,输出信号的频率也就越高。
对于幅值归一化的正弦波信号的瞬时幅值完全由瞬时相位来决定,所以相位变化越快,信号的频率越高。
ROM表完成将累加器相位信息转换为幅值信息的功能。
再由D/A完成数字抽样信号到连续时域信号的转换,D/A输出的台阶信号再经低通滤波器平滑以得到精确的连续正弦信号波形。
相位累加器利用Nbit二迸制加法器的模溢出特性来模拟理想正弦波的相位周期。
相位累加器输出和ROM输出可分别理解为理想正弦波相位信号和时域波形的时钟抽样。
用相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位取样地址,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。
图2.2信号合成示意
DDS频率合成器具有以下优点:
(1)频率分辨率高,输出频点多,可达2”个频点(假设DDS相位累加器的字长是N);
(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,对参考频率源的相位噪声有改善作用:
(6)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。
2.3专用DDS芯片电路分析
DDS专用芯片电路广泛的应用于各个领域。
其中以AD公司的产品比较有代表
性。
如AD7008、AD9850,AD9851、AD9852、AD9858等。
其系统时钟频率从30Mllz
到300MHz不等,其中的AD9858系统时钟更是达到了iGHz。
这些芯片还具有调制
功能。
如AD7008可以产生正交调制信号,而AD9852也可以产生FSK、PSK、线性
调频以及幅度调制的信号。
这些芯片集成度高,内部都集成了D/A转换器,精度
最高可达12bit。
同时都采用了一些优化设计来提高性能。
如这些芯片中大多采
用了流水技术,通过流水技术的使用,提高了相位累加器的工作频率,从而使得
DDS芯片的输出频率可以进一步提高。
通过运用流水技术在保证相位累加器工作
频率的前提下,相位累加器的字长可以设计得更长,如AD9852的相位累加器达到
了48位,大大提高了输出信号的频率分辨率。
由于DDS的周期性,输出杂散频谱
往往表现为离散谱线,而这些芯片大多采用了随机抖动技术使离散谱线均匀化,
从而提高输出频谱的无杂散动态范围。
2.3.1AD9850的结构及功能
AD9850是AD公司采用先进的I)DS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DS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0.029Hz。
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155mW。
AD9850采用32位相位累加器,截断成14位,输入正弦查询表,查询表输出截断成10位,输入到DAC。
DAC输出两个互补的模拟电流,经滤波器输出。
图2.3AD9850封装
AD9850是28脚SOP表面封装,体积小。
其引脚功能如下:
(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,为内部数字电路提供电源;
(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,为内部模拟电路提供电源,可与数字电源共用;
(9)RSET,DAC外接电阻;
(10)QOUT,QB,内部比较器输出端;
(11)VINN,VINP,内部比较器输入端;
(12)DACBL,内部DAC外接参考电压端,可空:
(13)IB,IOUT,DAC输出端;
(14)RES,复位端。
AD9850内部功能如图2.4。
图2.4AD9850内部功能
2.4AD8950芯片的控制电路和控制时序
(1)利用89C51单片机对DDS芯片AD8950进行控制。
P0口作为数据口,单片机和AD8950进行数据交换。
P2口作为控制口。
图2.5控制电路
(2)AD9850并行控制字写入时序
图2.6AD9850并行控制字写入时序
图2.6为并行配置方式时序图。
在并行方式,40bit控制字通过并行方式置入AD9850的输入数据寄存器。
按WO、W1、W2、W3、W4的顺序在置数时钟的上沿逐byte置入。
w0的高五位是初相位控制字,W0的低三位是工作方式控制字。
WO的DATAl为串并行模式设置,WO的DATAl为1时为串行模式,WO的DATAl为0时为并行模式,AD9850默认复位为并行置入方式。
wO的DATAO为时钟设置,wO的DATAO为1时为6倍频,wO的DATAO为0时为不倍频。
w1’w4共32bit为频率控制字。
例如如果输入参考频率为25MHz,要输出初相为22.5。
,频率为1MHz的正弦信号,则由计算可知应向AD9850传送的32bit频率控制字为:
00001010001111010111000010100011,32bit频率控制字为00010。
所以向AD9850传送的40bit控制字为WO=o0010000=1叫,wI=00001010=A3H,w2=00111IOI=D7H,W3=01110000=70H,W4=1010001I=A3H。
2.5单片机简介
单片机在各个技术领域的迅猛发展,与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关:
(1)单片机构成的应用系统有较大的可靠性。
(2)系统扩展和系统配置比较典型和规范,容易构成各种规模的应用系统。
(3)由于构成的应用系统是一个计算机系统,相当多的测控功能由软件实现,故具有柔性特点。
(4)有优异的性能价格比。
对广大的应用型技术人员而言,目前所面临的单片机应用技术是使用单片机和可编程逻辑器件相结合构成的新一代电子应用技术。
这是工程应用技术发展的一个新趋势。
通常,一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组成,如图1-1所示。
而微型计算机则包含有微处理器(通称CPU),存储器(存放程序指令或数据的ROM、RAM等),输入/输出口(I/O)及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等。
它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来,通过输入/输出
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