基于dds信號發(fā)生器畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　緒　　論1</b></p><p><b>　　1 系統(tǒng)設(shè)計2</b></p><p>　　1.1 方案論證2</p><p>　　1.1.1 信號模塊2</p><p>

2、;　　1.1.2 控制模塊3</p><p>　　1.1.3 顯示模塊4</p><p>　　1.1.4 鍵盤輸入模塊4</p><p>　　1.1.5 系統(tǒng)各模塊的最終方案4</p><p>　　1．2 理論分析與計算5</p><p>　　1.2.1 頻率精度計算5</p>&

3、lt;p>　　1.2.2 DDS的理論分析5</p><p>　　1.2.3 DDS的參數(shù)計算6</p><p>　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計7</p><p>　　2．1 硬件元器件的選用7</p><p>　　2.1.1 C8051F020控制芯片簡介7</p><p>　　2.1.2 AD995

4、4簡介9</p><p>　　2．2 單元硬件電路設(shè)計13</p><p>　　2.2.1 矩陣(4×4)鍵盤電路13</p><p>　　2.2.2 電源電路14</p><p>　　2.2.3 電壓調(diào)幅電路14</p><p>　　2.2.4 方波電路14</p>&l

5、t;p>　　2.2.5 三角波電路15</p><p>　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計16</p><p>　　3.1 程序流程圖16</p><p><b>　　4 系統(tǒng)測試19</b></p><p>　　4.1 仿真測試19</p><p>　　4.2 指標(biāo)測試19</p&g

6、t;<p>　　4.3測試方法20</p><p><b>　　5 結(jié)束語22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p>　　附錄一 對AD9954編程的主要源程序清單25&

7、lt;/p><p>　　附錄二 LCD顯示子程序35</p><p>　　摘 要：隨著數(shù)字集成電路、微電子技術(shù)和EDA技術(shù)的深入研究，DDS技術(shù)以其有別于其它頻率合成技術(shù)的優(yōu)越性能和特點(diǎn)，成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。根據(jù)題目要求，我們以單片機(jī)C8051F020芯片和AD9954芯片為核心，輔以必要的模擬電路，設(shè)計一臺信號發(fā)生器，使之能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波。該系統(tǒng)主要由控制模塊、信號

8、模塊、顯示模塊、鍵盤輸入模塊構(gòu)成。僅用單片AD9954就實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），產(chǎn)生穩(wěn)幅正弦波。輸出的正弦波經(jīng)過比較電路來實(shí)現(xiàn)方波的輸出，而三角波則是在方波的基礎(chǔ)上通過接入積分電路來實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)對內(nèi)部寄存器控制，AD9954就可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬波形，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，電路簡單，功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng)。通過鍵盤輸入、LCD顯示形成人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)對輸出信號的控制。</p&g

9、t;<p>　　關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器；C8051F020；直接數(shù)字頻率合成器（DDS）；AD9954</p><p>　　Abstract：As digital integrated circuits, microelectronic technology and in-depth study of EDA technology, its technology is different from ot

10、her DDS frequency synthesizer technology and the superior performance characteristics of a modern frequency synthesis technology leader. Under the title, we C8051F020 microcontroller chip and AD9954 chip as the core, sup

11、plemented by the necessary circuit simulation, design a signal generator, so that it can produce sine, square and triangular wave. The syst</p><p>　　Keywords: signal generator; C8051F020; Direct Digital Synt

12、hesis (DDS); AD9954</p><p><b>　　緒　　論</b></p><p>　　直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(direct digital synthesizer，DDS)是在20世紀(jì)7O年代提出的，利用數(shù)字可控振蕩器技術(shù)，直接以數(shù)字信號控制產(chǎn)生高精度頻率信號，頻率分辨率可達(dá)LHz，與傳統(tǒng)的直接頻率合成(Ds)、鎖相環(huán)間接頻率合成（PLL ），F(xiàn)NP

13、LL合成和PSG單環(huán)路合成相比，具有頻率切換時間極短、頻率分辨率高、相位連續(xù)，相噪低，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低等優(yōu)勢。鑒于DDS技術(shù)有如此優(yōu)越的條件，現(xiàn)在大多數(shù)設(shè)備、系統(tǒng)都采用了這種技術(shù)。當(dāng)然，作為通信系統(tǒng)中必不可少的信號發(fā)生器也越來越多地容納了該技術(shù)，本文將要介紹的是基于ADI公司生產(chǎn)的DDS芯片AD9954的信號發(fā)生器的設(shè)計方案。</p><p>　　AD9954是采用先進(jìn)的DDS技術(shù)開發(fā)的高集成度DDS器件

14、。其主要特性如下：內(nèi)置400MSPS時鐘；內(nèi)含l4位DAC；相位、幅度可編程；有32位頻率轉(zhuǎn)換字；可用串行I／0控制；內(nèi)置超高速模擬比較器；可自動線性和非線性掃頻；內(nèi)部集成有1024×32位RAM；采用1．8V電源供電；可4～20倍頻；支持大多數(shù)數(shù)字輸入中的5V輸入電平。</p><p>　　控制芯片選擇C8051F020，通過對AD9954編程實(shí)現(xiàn)正弦波，該輸出的正弦波能達(dá)到MHZ以上，輸出是波形失真

15、率極低。用LCD和鍵盤作為良好的人機(jī)界面，用鍵盤輸入要顯示的頻率，LCD顯示頻率的大小。將輸出的正弦波經(jīng)比較器電路來實(shí)現(xiàn)方波的輸出，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輸出的方波能達(dá)到100KHZ以上且輸出的波形失真率小，波形純真。輸出的方波再經(jīng)過積分電路便得到三角波，經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀察可以看到，輸出的波形正常，能達(dá)到KHZ以上，輸出的波形失真率低。</p><p><b>　　1 系統(tǒng)設(shè)計</b></p>&

16、lt;p><b>　　1.1 方案論證</b></p><p>　　1.1.1 信號模塊</p><p>　　方案一：采用專用信號發(fā)生器。MAX038是美信公司的低失真單片信號發(fā) 生器集成電路，內(nèi)部電路完善。使用該芯片，設(shè)計簡單，可以生成同一頻率信號的各種波形信號，但頻率精確度和穩(wěn)定度都難以達(dá)到要求。</p><p>　　方案二：采用傳

17、統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成。利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器完成對頻率的算術(shù)運(yùn)算。由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。</p><p>　　方案三：采用鎖相環(huán)間接頻率合成(PPL)。雖然具有工作頻率高、寬帶、頻譜質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間較長，故頻率轉(zhuǎn)換時間較長。另外，由模擬

18、方法合成的正弦波的參數(shù)(如幅度、頻率和相位等)都很難控制，不易實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　方案四：采用直接數(shù)字合成（Direct Digital Frequency Synthesizer,簡稱DDS或DDFS）。用隨機(jī)讀/寫存儲器RAM存儲所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字K為步進(jìn)對相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存在存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得所需波形。

19、由于DDS具有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時間極短(可小于20微妙)，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成以及輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控，因此，可以完全滿足本題目的要求。</p><p>　　DDS的原理框圖如圖1所示：</p><p>　　圖1 DDS原理框圖</p><p>　　DDS技術(shù)頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號純度高、相位可控、輸出信號無電流脈

20、沖疊加、輸出可平穩(wěn)過渡且相位可保持連續(xù)變化。</p><p>　　方案論證：從題目要求來看，上述三種方案都可以滿足題目合成頻率范圍的要求，但信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度、精確度都不如DDS合成的頻率；另一方面，DDS比信號發(fā)生器更容易精確控制，所以我們選擇DDS方案進(jìn)行頻率合成。</p><p>　　1.1.2 控制模塊</p><p>　　方案一：采用89C51芯

21、片單片機(jī)，現(xiàn)在市場很多成品都在用它，但89C51最大的缺陷在于不支持ISP（在線更新程序）功能，。對于短短幾天的比賽時間，用編程器對它進(jìn)行燒寫程序，是非常浪費(fèi)時間和精力的，如果將來要對產(chǎn)品進(jìn)行升級的話也是非常困難的。因此不考慮用80C51作控制模塊的主芯片。</p><p>　　方案二：采用89C2051開發(fā)制造產(chǎn)品,因?yàn)?051看起來體積比較小,功能也較全面.但是2051不是標(biāo)準(zhǔn)的51內(nèi)核，所以89C2051的

22、程序不能直接移植到51上。由于2051是精簡型，所以P口變得很少，這樣一來可利用資源比較緊張，只能做一些簡單的產(chǎn)品。因此，對于本設(shè)計來說是不想適應(yīng)的。</p><p>　　方案三：采用SST系列單片機(jī)，SST單片機(jī)是在AT89C系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的，提高了工作頻率，可采用串口進(jìn)行在線編程調(diào)試，增加了內(nèi)存的容量和PAC可編程計數(shù)器等功能。從基本功能的改進(jìn)上與89S52系列基本上相同。并且這種單片機(jī)的價格高于

23、其它同類產(chǎn)品，并且很多的功能用不上，故不考慮用這個方案。</p><p>　　方案四：C8051F020是Cygnal出的一種混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)（片上系統(tǒng)SOC），片內(nèi)含CIP－51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS－51完全兼容；其中的C8051F020單片機(jī)含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器、4352B（256B+4KB）的RAM；8個I／O端口共64根I／O口線；一個12位A／D轉(zhuǎn)換器和一個8位A／D轉(zhuǎn)

24、換器以及一個雙12位D／A轉(zhuǎn)換器；2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分；C8051F020單片機(jī)支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6V（端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V）。</p><p>　　綜合上述,根據(jù)我們題目的要求，用低端產(chǎn)品，如89C51，不能很好的達(dá)到題目指標(biāo)；用高端產(chǎn)品，如SST系列，它有很多的功

25、能用不上和“內(nèi)存”太大，等于大材小用，并且成本增加。與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高，且C8051F020的種種特點(diǎn)和所能達(dá)到的指標(biāo)，對我們這個題目非常合適，因此最終采用C8051F020作為主控制芯片我們自制了單片機(jī)最小系統(tǒng)。</p><p>　　1.1.3 顯示模塊</p><p>　　方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。雖然功

26、率低，控制簡單，但卻只能顯示數(shù)字和一些簡單的字符，沒有較好的人機(jī)界面。</p><p>　　方案二：采用LCD液晶顯示，可以顯示所有字符及自定義字符，并能同時顯示多組數(shù)據(jù)漢字，字符清晰。由于自身具有控制器，不但可以減輕主單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，而且可以實(shí)現(xiàn)菜單驅(qū)動方式的顯示結(jié)果，實(shí)現(xiàn)編輯模塊全屏幕編輯的功能，達(dá)到友好的人機(jī)界面。用LCD顯示，能解決LED只能顯示數(shù)字等幾個簡單字符的缺點(diǎn)，接口電路簡單，性能好，效果多，控制方

27、便，顯示的方式多。</p><p>　　比較上述兩種方案，采用方案二。</p><p>　　1.1.4 鍵盤輸入模塊</p><p>　　方案一：采用傳統(tǒng)的獨(dú)立式按鍵。這種方式占用系統(tǒng)的資源較多，而且效率低，程序的編寫量大而復(fù)雜。</p><p>　　方案二：為了提高單片機(jī)的資源利用率，按鍵部分使用矩陣(4×4)鍵盤。這種方法在開

28、關(guān)數(shù)量多的情況下可以節(jié)省很多的接口，并且提高系統(tǒng)接口的利用率。</p><p>　　故：確定選擇采用方案二。</p><p>　　1.1.5 系統(tǒng)各模塊的最終方案</p><p>　　經(jīng)過仔細(xì)的分析與論證，決定系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：</p><p>　　信號模塊：采用AD9954；</p><p>　　控制模塊：

29、采用C8051F020控制；</p><p>　　顯示模塊：采用LCD顯示；</p><p>　　鍵盤輸入模塊：采用矩陣(4×4)鍵盤；</p><p>　　單片機(jī)C8051F020用于控制系統(tǒng)中LCD顯示、鍵盤的輸入的確認(rèn)及控制信號的輸出。系統(tǒng)基本框圖如圖2：</p><p>　　圖2 系統(tǒng)基本框圖</p><

30、;p>　　1．2 理論分析與計算</p><p>　　1.2.1 頻率精度計算</p><p>　　采用美國AD公司先進(jìn)的DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品AD9954芯片。AD9954內(nèi)部時鐘最大為400MSPS，內(nèi)置14位高速高精度DAC，1.8V低功耗工作，自帶頻率設(shè)置，幅度設(shè)置，相位設(shè)置，PSK，F(xiàn)SK，掃頻等功能，并有1024×4字節(jié)的RAM。其頻率

31、字為32位，故頻率絕對精度為HZ(系統(tǒng)時鐘為400M)，當(dāng)頻率高于1KHZ時，相對精度為。</p><p>　　1.2.2 DDS的理論分析</p><p>　　DDS的基本原理是，在高速存儲器中放入正弦函數(shù)——相位數(shù)據(jù)表格，經(jīng)過查表操作，將讀出的數(shù)據(jù)送到高速DAC產(chǎn)生正弦波?？删幊藾DS系統(tǒng)原理如圖三：</p><p>　　圖3 可編程DDS系統(tǒng)原理</p

32、><p>　　N：相位累加器位數(shù)； M：相位累加器實(shí)際對ROM尋址的位數(shù)</p><p>　　S：ROM輸出正弦信號(離散化)的位數(shù)</p><p>　　位數(shù)：相位累加器舍去的位數(shù)，滿足位數(shù)=N-M</p><p>　　DDS系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。參考時鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸

33、出用于同步DDS各組成部分的工作。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由N位加法器與N位相位寄存器構(gòu)成，類似于一個簡單的計算器。每來一個時間脈沖，相位寄存器的輸出就增加一個步長的相位增量值，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進(jìn)入線性相位累加，累加至滿量程時產(chǎn)生一次計數(shù)溢出，這個溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器(PROM)，存儲的是以相位為地址

34、的一個周期正弦信號的采樣編碼值，包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)于正弦波中0~360°范圍的一個相位點(diǎn)。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加，得到的數(shù)據(jù)作為一個地址對正弦查詢表進(jìn)行尋址，查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動DAC，輸出模擬信號。低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。</p><p>　　1.2.3 DDS的參數(shù)計算</p&

35、gt;<p>　　對于計數(shù)容量為2N相位累加器和具有M個相位取樣點(diǎn)的正弦波波形存儲器，若頻率控制字為K，輸出信號頻率為f o，參考時鐘頻率為f c，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為</p><p>　　f o=kfc/2N</p><p>　　輸出信號頻率的頻率分辨率為</p><p>　　△f min=fc/2N</p><p>

36、　　由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為</p><p>　　f max=fc/2</p><p>　　頻率控制字可由以上公式推出：</p><p>　　K=f o×2N/fc</p><p>　　當(dāng)外部參考時鐘頻率為50MHz，輸出頻率需要為1MHz時，系統(tǒng)時鐘經(jīng)過6倍頻，使得f c變?yōu)?00MHz，這樣就可利用以上公

37、式計算出DDS的需要設(shè)定的控制頻率字K=248/300</p><p><b>　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　2．1 硬件元器件的選用</p><p>　　2.1.1 C8051F020控制芯片簡介</p><p>　　(1) C8051F020的功能</p><p>　　

38、C8051F020是Cygnal出的一種混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)（片上系統(tǒng)SOC），片內(nèi)含CIP－51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS－51完全兼容；其中的C8051F020單片機(jī)含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器、4352B（256B+4KB）的RAM；8個I／O端口共64根I／O口線大量減少了外部連線和器件擴(kuò)展；一個12位A／D轉(zhuǎn)換器和一個8位A／D轉(zhuǎn)換器以及一個雙12位D／A轉(zhuǎn)換器；2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較

39、模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分；C8051F020單片機(jī)支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6V（端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V）。C8051F020功能圖如圖4。</p><p>　　圖4 C8051F020功能圖</p><p>　　(2) C8051F020的特點(diǎn)</p><p><b&g

40、t;　　a.運(yùn)行速度</b></p><p>　　C8051F020的指令運(yùn)行速度是一般80C51系列單片機(jī)的10倍以上。因?yàn)槠銫IP-51中采用了流水線處理結(jié)構(gòu)，已經(jīng)沒有了機(jī)器周期時序，指令執(zhí)行的最小時序單位為系統(tǒng)時鐘，大部分指令只要1～2個系統(tǒng)周期即可完成。又由于其時鐘系統(tǒng)比80C51的更加完善，有多個時鐘源，且時鐘源可編程，時鐘頻率范圍為0～25 MHz，當(dāng)CIP-5l工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25

41、 MHz時，它的峰值速度可以達(dá)到25 MI／s，C8051F020已進(jìn)入了8位高速單片機(jī)行列。</p><p>　　b.I／O端口的配置方式</p><p>　　C8051F020擁有8個8位的I／O端口，大量減少了外部連線和器件擴(kuò)展，有利于提高可靠性和抗干擾能力。其中低4個I／O端口除可作為一般的通用I／O端口外，還可作為其他功能模塊的輸入或輸出引腳，它是通過交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、

42、XBR1、XBR2(各位名稱及格式如表1所示)選擇并控制的，它們控制優(yōu)先權(quán)譯碼選擇開關(guān)電路如圖1所示，可將片內(nèi)的計數(shù)器／定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出及其它的數(shù)字信號配置為在端口I／O引腳出現(xiàn)，這樣用戶可以根據(jù)自己的特定需要選擇所需的數(shù)字資源和通用I／O口。數(shù)字交叉開關(guān)是一個比較大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)路，這在所有80C51系列單片機(jī)上是一個空白。另外P1MDIN用于選擇P1的輸入方式是模擬輸入還是數(shù)字輸入，復(fù)位值為11111111B，即

43、默認(rèn)為數(shù)字輸入方式。而80C51單片機(jī)的I／O引腳是固定分配的，即占用引腳多，配置又不夠靈活。</p><p><b>　　c.交叉開關(guān)</b></p><p>　　C8051F020通過優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器控制數(shù)字開關(guān)網(wǎng)路，端口引腳的分配順序是從P0.0開始一直到P3.7。當(dāng)交叉開關(guān)配置寄存器XBR0、XBR1和XBR2中外設(shè)的對應(yīng)使能位被設(shè)置為邏輯“1”時，交叉開

44、關(guān)將端口引腳分配給外設(shè)，例如，如果UARTOEN位(XBR0.2)被設(shè)置為邏輯“1”，則TX0和RX0引腳將分別被分配到P0.0和P0.1。因?yàn)閁ART0有最高優(yōu)先權(quán)，所以當(dāng)UARTOEN位被設(shè)置為邏輯“1”時其引腳將總是被分配到P0.0和P0.1。未被設(shè)置的交叉開關(guān)分配端口可作為通用I／O口。</p><p>　　注意：當(dāng)選擇了串行通信外設(shè)(即SMBus、SPI或UART)時，交叉開關(guān)將為所有相關(guān)功能分配引腳。

45、例如，不能為UART0功能只分配TX0引腳而不分配RX0引腳。交叉開關(guān)寄存器被正確配置后，通過將XBARE(XBR2.6)設(shè)置為邏輯“1”來使能交叉開關(guān)。 在C8051F020軟件編程中須首先設(shè)置看門狗定時器的工作狀態(tài)；其次，要由內(nèi)部振蕩器控制寄存器OSCICN設(shè)置采用內(nèi)部時鐘還是外部時鐘工作，若選擇外部時鐘可通過外部振蕩器控制寄存器OSCXCN來選擇適當(dāng)?shù)念l率，上題目采用內(nèi)部時鐘，并通過時鐘控制寄存器CKCON選擇使用系統(tǒng)時鐘的12分

46、頻。再次，若選擇的I／O口是低四個端口P0～P3作為工作口，需要設(shè)定寄存器XBR0、XBR1、XBR2(復(fù)位值為0)，在本設(shè)計中未用到數(shù)字資源，故XBR0、XBR1的值為復(fù)位值，只需設(shè)定XBR2的值為40H允許功能選擇開關(guān)即可，若本設(shè)計中的P1.2換為P4.2，則無需設(shè)定寄存器XBR0、XBR1、XBR2，因?yàn)楦叨丝赑4～P7與交叉開關(guān)無關(guān)。最后還要選擇所用I／O口的輸出方式，P0、P1、P2、P3口分別由POMDOUT、P1MD-OU

47、T、P2MDOUT、P</p><p>　　了所有的專用寄存器及相應(yīng)位的地址定義文件，用戶只需加一條＄ include (C8051F020.inc)指令即可。C8051F020引腳圖如圖5：</p><p>　　圖5 C8051F020引腳圖</p><p>　　2.1.2 AD9954簡介</p><p>　　(1) AD9954的概

48、念及內(nèi)部特征</p><p>　　AD9954是采用先進(jìn)的DDS技術(shù)開發(fā)的高集成度DDS器件。它內(nèi)置高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器及超高速比較器，可用為數(shù)字編程控制的頻率合成器，能產(chǎn)生200MHz的模擬正弦波。AD9954內(nèi)含1024×32靜態(tài)RAM，利用該RAM可實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，并支持幾種掃頻模式。AD9954可提供自定義的線性掃頻操作模式，通過AD9954的串行I/O口輸入控制字可實(shí)現(xiàn)快速變頻且具有良好的頻

49、率分辨率。其應(yīng)用范圍包括靈敏頻率合成器、可編程時鐘發(fā)生器、雷達(dá)和掃描系統(tǒng)的FM調(diào)制源以及測試和測量裝置等。AD9954的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要特性：1.內(nèi)置400MSPS時鐘；2.內(nèi)含14位DAC；3.相位、幅度可編程；4.有32位頻率轉(zhuǎn)換字；5.可用串行I/O控制；6.內(nèi)置超高速模擬比較器；7.可自動線性和非線性掃頻；8.內(nèi)部集成有1024×32位RAM；9.采用1.8V電源供電；10.可4～20倍倍頻；11.支持大多數(shù)數(shù)字輸入中的5

50、V輸入電平；12.可實(shí)現(xiàn)多片同步。 </p><p>　　(2) AD9954的引腳說明 </p><p>　　AD9954采用48腳TQFP/EP封裝,各引腳定義如下：</p><p>　　I/O UPDATE：在該引腳的上升沿可把內(nèi)部緩沖存儲器中的內(nèi)容送到I/O寄存器中。引腳電平的建立和保持與SYNC-CLK輸出信號有關(guān)；</p><p>

51、;　　DGND和AGND：數(shù)字地與模擬地；</p><p>　　OSC/REFCLK和OSC/REFCLK：參考時鐘或振蕩輸入端：</p><p>　　CYRSTAL OUT：振蕩器輸出端；</p><p>　　CLKMODESELECT：振蕩器控制端，為1時使能振蕩器，為0時不使能振蕩器；</p><p>　　LOOP_FILTER：該引腳

52、應(yīng)與AVDD間串聯(lián)一個1kΩ電阻和一個0.1μF電容；</p><p>　　IOUT和IOUT：DAC輸出端，使用時應(yīng)接一個上接電阻；</p><p>　　DACBP：DAC去耦端，使用時應(yīng)接一個0.01μF的旁路電容；</p><p>　　DAC_RSET：DAC復(fù)位端，使用時應(yīng)通過一個3.92kΩ的電阻接至AGND端；</p><p>　

53、　COMP_OUT：比較器輸出端，可以輸出方波或脈沖信號；</p><p>　　COMP_IN和COMP_IN：比較器輸入端；</p><p>　　PWRDWNCTL：外部電源掉電控制輸入引腳； </p><p>　　RESET：芯片復(fù)位端； </p><p>　　IOSYNC：異步串行端口控制復(fù)位引腳；為1時，當(dāng)前I/O操作立即停止；為0時

54、開始新的I/O操作；不用時，此引腳必須接地；</p><p>　　SDO：采用3線串口操作時，SDO為串行數(shù)據(jù)輸出端。采用2線串口操作時，SDO不用，可以不連；</p><p>　　CS：片選端，低電平有效，允許多芯片共用I/O總線；</p><p>　　SCLK：I/O操作的串行數(shù)據(jù)時鐘輸入端；</p><p>　　SDIO：采用3線串口操

55、作時，SDO為串行數(shù)據(jù)輸入端，采用2線操作時，SDO為雙向串行數(shù)據(jù)端。</p><p>　　DVDD_I/O；I/O電源，可以是1.8V或3.3V；</p><p>　　SYNC_IN：同步多片AD9954輸入信號，使用時與主AD9954的SYNC_CLK的輸出相連；</p><p>　　SYNC_CLK：時鐘輸出腳，為內(nèi)部時鐘的1/4，可用作外圍硬件同步；<

56、/p><p>　　OSK：在編程操作時可用該腳來控制幅度與時間斜率，與SYNC_CLK同步；當(dāng)OSK不能被編程時，此腳接DGND；</p><p>　　PS1和PS0：可用來選擇4個RAM段控制字區(qū)中的一個。</p><p>　　(3) AD9954電路部分</p><p>　　AD9954為電流輸出型芯片，自帶濾波功能，故其外圍電路主要為數(shù)據(jù)控

57、制線的引出和電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出電路，AD9954的外圍電路如圖6：</p><p>　　圖6 AD9954的外圍電路</p><p>　　(4) AD9954總體外圍電路</p><p>　　由C8051F020輸出控制信號控制AD9954，AD9954產(chǎn)生波形，AD9954總體外圍電路如圖7：</p><p>　　圖7 AD9954總

58、體外圍電路 </p><p>　　2．2 單元硬件電路設(shè)計</p><p>　　2.2.1 矩陣(4×4)鍵盤電路</p><p>　　在開關(guān)數(shù)量多的情況下，采用矩陣(4×4)鍵盤可以節(jié)省很多的接口，并且提高系統(tǒng)接口的利用率。矩陣(4×4)鍵盤電路如圖8：</p><p>　　圖8 矩陣(4×4)鍵

59、盤電路</p><p>　　2.2.2 電源電路</p><p>　　電源模塊提供+5V、-5V電壓。電源電路如圖9：</p><p><b>　　圖9 電源電路</b></p><p>　　2.2.3 電壓調(diào)幅電路</p><p>　　采用放大電路調(diào)節(jié)正弦波信號的電壓峰-峰值，使V opp

60、在0～5V可調(diào)。放大電路如圖10。</p><p>　　圖10 調(diào)幅電路</p><p>　　2.2.4 方波電路</p><p>　　輸入正弦波信號外接比較電路產(chǎn)生方波信號。比較電路如圖11：</p><p><b>　　圖11 方波電路</b></p><p>　　2.2.5 三角波電

61、路</p><p>　　輸入方波信號外接積分電路產(chǎn)三角波波信號。</p><p><b>　　積分電路如圖1２</b></p><p><b>　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　3.1 程序流程圖</p><p>　?。?）題目要求信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦波、方波

62、和三角波三種周期性波形，我們對DDS模塊編程實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出，在產(chǎn)生正弦波的基礎(chǔ)上外接比較電路產(chǎn)生方波，再通過積分電路實(shí)現(xiàn)三角波的輸出。主程序根據(jù)鍵盤設(shè)定正弦波的頻率，按確定鍵后則輸出所需的正弦波。主流程圖如圖13所示。主要程序見附錄A。</p><p><b>　　圖13 主流程圖</b></p><p>　?。?）LCD顯示的流程如圖14所示：</p>

63、<p>　　圖14 LCD顯示流程圖</p><p>　　（3）鍵盤掃描秒子程序如圖15所示</p><p>　　圖15：鍵盤掃描流程圖</p><p><b>　　4 系統(tǒng)測試</b></p><p><b>　　4.1 仿真測試</b></p><p>　　

64、在對軟件進(jìn)行仿真測試時，使用Keil 進(jìn)行模擬測試。測試目的：</p><p>　　鍵盤的鍵位是否正確。</p><p>　　LCD的顯示是否正常。</p><p>　　信號發(fā)生器是否能產(chǎn)生我們所需要的波形。</p><p><b>　　4.2 指標(biāo)測試</b></p><p>　　4.2.1 誤

65、差分析</p><p>　　頻率誤差來源：測試儀表數(shù)字示波器本身在測量上存在誤差</p><p>　　幅值誤差來源：由于通用電路板本身機(jī)構(gòu)的限制，影響了整個電路的布局和走線，從而引入了一定的噪聲和干擾。</p><p>　　相位誤差：由于波形是通過一系列有限的離散采樣點(diǎn)表示，不可避免引入相位量誤差，增加采樣點(diǎn)數(shù)可以減小誤差。</p><p>

66、　　4.2.2 測試儀器</p><p>　　示波器：YB5400系列數(shù)字存儲示波器</p><p>　　4.2.3 輸出波形頻率范圍測試</p><p>　　測試數(shù)據(jù)如表一、表二、表三：</p><p>　　表一 第1組測試數(shù)據(jù)</p><p>　　表二 第2組測試數(shù)據(jù)</p><p>　　

67、表三 第3組測試數(shù)據(jù)</p><p>　　由表中的數(shù)據(jù)可以看出，在輸出頻率穩(wěn)定度方面，正弦波、方波、三角波均十分穩(wěn)定。</p><p><b>　　4.3測試方法</b></p><p>　　4.3.1測試正弦波輸出頻率</p><p>　?。?)連接電路(電源電路、C8051F020芯片、AD9954芯片、顯示模塊、鍵

68、盤輸入模塊)。</p><p>　?。?)打開示波器電源。</p><p>　　（3)運(yùn)用鍵盤輸入設(shè)定頻率，按確定鍵。</p><p>　?。?)觀察示波器的顯示頻率、周期和峰-峰值。</p><p>　?。?)記錄正弦波的輸出頻率</p><p><b>　　（6)關(guān)閉電源</b></p&

69、gt;<p>　　4.3.2 測試方波輸出頻率</p><p>　?。?)連接電路(電源電路、C8051F020芯片、AD9954芯片、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、比較器)。</p><p>　?。?)打開示波器電源。</p><p>　　（3)運(yùn)用鍵盤輸入設(shè)定頻率，按確定鍵。</p><p>　?。?)調(diào)節(jié)電位器，觀察示波器的顯示

70、頻率、周期和峰-峰值。</p><p>　?。?)記錄方波的輸出頻率</p><p><b>　　（6)關(guān)閉電源</b></p><p>　　4.3.3測試三角波輸出頻率</p><p>　?。?)連接電路(電源電路、C8051F020芯片、AD9954芯片、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、比較電路、積分電路)。</p&g

71、t;<p>　　（2)打開示波器電源。</p><p>　?。?)運(yùn)用鍵盤輸入設(shè)定頻率，按確定鍵。</p><p>　　（4)調(diào)節(jié)電位器，觀察示波器的顯示頻率、周期和峰-峰值。</p><p>　?。?)記錄三角波的輸出頻率。</p><p><b>　　（6)關(guān)閉電源。</b></p>&l

72、t;p><b>　　5 結(jié)束語</b></p><p>　　設(shè)計基本實(shí)現(xiàn)了信號發(fā)生器的基本要求，能輸出正弦波、方波、三角波，輸出的頻率也能達(dá)到基本要求100HZ—100KHZ，輸出的正弦波在1000歐的負(fù)載下，能實(shí)現(xiàn)峰峰值在0—5V可調(diào)。輸出的波形純真，失真率低?？梢宰鳛橐话愕男盘柊l(fā)生器使用。但由于知識水平的有限，該信號發(fā)生器不能實(shí)現(xiàn)在50歐負(fù)載的情況下，正弦波峰峰值在0—5V可調(diào)。不

73、能在10—100KHZ之間實(shí)現(xiàn)10HZ的步進(jìn)和100KHZ—1MHZ實(shí)現(xiàn)1000HZ的步進(jìn)。這是一大遺憾。</p><p>　　單片機(jī)控制AD9954產(chǎn)生正弦信號電路及其濾波放大輸出電路是該信號發(fā)生器設(shè)計的核心部分，由于器件對于帶寬的要求比較高，因此在器件的選擇和濾波器的設(shè)計上有較高的要求。</p><p><b>　　致謝</b></p><p&

74、gt;　　本文是在導(dǎo)師凌老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在大專的三年時間里，導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識、活躍的學(xué)術(shù)思想、執(zhí)著的科研精神及高尚的做人原則，都給我留下了終生難忘的印象。所有這一切都將成為我受益終生的寶貴財富!在此，學(xué)生謹(jǐn)向?qū)煴硎局孕牡母兄x!</p><p>　　真誠地感謝凌老師。通過他們的精心指導(dǎo)與有益討論，我在研究思想方法上得到了許多啟發(fā)，并感謝李茂清-李老師的支持與幫助，在他們的幫助下使我完成論文。

75、</p><p>　　感謝我的父親、母親對我的理解、支持和幫助。盡管與他們?yōu)槲腋冻龅囊磺邢啾?，所有的語言都顯得蒼白無力，我仍要真誠地說聲:謝謝!</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]黃志偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.</p><p>　　[

76、2]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004</p><p>　　[3]潘琢金譯.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控器數(shù)據(jù)手冊.沈陽：沈陽新華電子有限公司，2002</p><p>　　[4]謝自美《電子線路設(shè)計.實(shí)驗(yàn).測試（第三版）》武漢：華中科技大學(xué)出版社。2000年7月 </p>&l

77、t;p>　　[5]楊幫文《新型集成器件家用電路》北京：電子工業(yè)出版社，2002.8 </p><p>　　[6]第二屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會。全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編。北京：北京理工大學(xué)出版社，1997. </p><p>　　[7]李炎清《畢業(yè)論文寫作與范例》廈門：廈門大學(xué)出版社。2006.10 </p><p>　　[8]潭博學(xué)、苗江靜《集

78、成電路原理及應(yīng)用》北京：電子工業(yè)出版社。2003.9 </p><p>　　[9]陳梓城《家用電子電路設(shè)計與調(diào)試》北京：中國電力出版社。2006</p><p>　　附錄一 對AD9954編程的主要源程序清單</p><p>　　//對AD9954編程的主要源程序清單</p><p>　　#include "c8051f020.h

79、"</p><p>　　#include "intrins.h"</p><p>　　//ad9954初始化</p><p>　　extern void AD9954_init(void);</p><p><b>　　//寫一個字節(jié)</b></p><p>　　ex

80、tern void AD9954_writebyte_m(unsigned char dat);</p><p><b>　　//讀一個字節(jié)</b></p><p>　　extern unsigned char AD9954_readbyte_m(void);</p><p>　　//向9954寄存器寫數(shù)據(jù)</p><p&g

81、t;　　extern void AD9954_write_reg(unsigned char address,unsigned char *pointer);</p><p>　　//從9954寄存器讀數(shù)據(jù)</p><p>　　extern void AD9954_read_reg(unsigned char address,unsigned char *pointer);</p&g

82、t;<p>　　//從IO緩沖到寄存器</p><p>　　extern void AD9954_io_updata();</p><p>　　//用9954產(chǎn)生正弦波，輸入?yún)?shù)為頻率，單位Hz</p><p>　　extern void AD9954_gener_cos(double freq);</p><p><b&

83、gt;　　//使能正弦輸出</b></p><p>　　extern void AD9954_en_cos_o();</p><p>　　//參考時鐘頻率調(diào)節(jié)</p><p>　　extern void AD9954_ref_clk(unsigned char t);</p><p>　　//AD9954滿幅輸出</p>

84、;<p>　　extern void AD9954_amp_full(void);</p><p>　　unsigned char Getkey();</p><p>　　void DDS_ctrl(unsigned char key);</p><p>　　void AD9954_Phase();</p><p>　　voi

85、d AD9954_add(void);</p><p>　　/*******LCD有關(guān)******/</p><p>　　void lcd_delay(void);</p><p>　　unsigned char LCDBusyWait();</p><p>　　void WriteLCD_Data(unsigned char Data);&

86、lt;/p><p>　　void WriteLCD_Command(unsigned char Command);</p><p>　　unsigned char ChangeAddress(unsigned char StartAddress);</p><p>　　void WriteLCD(unsigned char StartAddress,unsigned c

87、har Size,unsigned char Charactors[]);</p><p>　　void WriteLCD_Number(unsigned char Address,unsigned char Number);</p><p>　　void WriteLcd_Number_3bit(unsigned char Address,unsigned char Number);&l

88、t;/p><p>　　void WriteLcd_Number_4bit(unsigned char Address_4bit,unsigned int Number4bit);</p><p>　　void DISPInitial();</p><p>　　#include "ad9954.h"</p><p>　　void

89、 SYSCLK_Init (void)</p><p>　　{ int i; // delay counter</p><p>　　OSCXCN = 0x67; // start external oscillator with 22.1184MHz crystal</p>

90、<p>　　for (i=0; i < 256; i++) ; // XTLVLD blanking interval (>1ms)</p><p>　　while (!(OSCXCN & 0x80)) ; // Wait for crystal osc. to settle</p><p>　　OSCICN = 0x8

91、8; // select external oscillator as SYSCLK</p><p>　　// source and enable missing clock</p><p>　　// detector</p><p><b>　　}</b></p><p>　　

92、//-----------------------------------------------------------------------------</p><p>　　// PORT_Init </p><p>　　//-----------------------------------------------------------------------------<

93、;/p><p>　　// Configure the Crossbar and GPIO ports</p><p>　　void PORT_Init (void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　XBR0 = 0x00; // </p>

94、<p>　　XBR1 = 0x00;</p><p>　　XBR2 = 0x40; // Enable crossbar and weak pull-ups</p><p>　　P0MDOUT |= 0xf8; // 將有下拉的引腳配置為推挽方式</p><p>　

95、　P74OUT=0X13; //set P4 as push-pull output</p><p><b>　　}</b></p><p>　　double F0ctrl_word=10000000;</p><p>　　bit ddsF0_enter=1;</p><p&

96、gt;　　main(){char xdata i_buf1[10]={0,0,0,0,0,0,};</p><p>　　unsigned char key=0,temp=0xff;</p><p>　　unsigned int i;</p><p>　　WDTCN = 0xde; // disa

97、ble watchdog timer</p><p>　　WDTCN = 0xad;</p><p>　　SYSCLK_Init();//啟動外部振蕩器</p><p>　　PORT_Init();</p><p>　　DISPInitial();</p><p>　　AD9954_init();

98、 //9954初始化</p><p>　　AD9954_en_cos_o(); //使能輸出</p><p>　　AD9954_ref_clk(4); //時鐘4倍頻</p><p>　　AD9954_gener_cos(10000000); //輸出

99、10M Hz正弦波</p><p>　　AD9954_amp_full(); //滿幅輸出</p><p><b>　　while(1)</b></p><p>　　{ key=Getkey(); </p><p>　　for(i=0;i<65535;i++);

100、</p><p>　　for(i=0;i<20000;i++);</p><p>　　DDS_ctrl(key);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　unsigned char Getkey()<

101、/p><p>　　{ P6=0xFE;</p><p>　　if(P6==0xEE)return 1;</p><p>　　if(P6==0xDE)return 2;</p><p>　　if(P6==0xBE)return 3;</p><p>　　if(P6==0x7E)return 4;</p>&

102、lt;p><b>　　P6=0xFD;</b></p><p>　　if(P6==0xED)return 5;</p><p>　　if(P6==0xDD)return 6;</p><p>　　if(P6==0xBD)return 7;</p><p>　　if(P6==0x7D)return 8;</p&

103、gt;<p><b>　　P6=0xFB;</b></p><p>　　if(P6==0xEB)return 9;</p><p>　　if(P6==0xDB)return 0;</p><p>　　if(P6==0xBB)return 11;</p><p>　　if(P6==0x7B)return 12

104、;</p><p><b>　　P6=0xF7;</b></p><p>　　if(P6==0xE7)return 13;</p><p>　　if(P6==0xD7)return 14;</p><p>　　if(P6==0xB7)return 15;</p><p>　　if(P6==0x77

105、)return 16;</p><p>　　return 76;</p><p><b>　　} </b></p><p>　　void DDS_ctrl(unsigned char key)</p><p>　　{if( (key>=0)&(key<=9) )</p><p>

106、;　　{ if(ddsF0_enter)</p><p>　　{ F0ctrl_word=0;</p><p>　　ddsF0_enter=0;</p><p>　　WriteLCD(0x8B,0,"輸入狀態(tài)");</p><p><b>　　}</b></p><

107、p>　　if(F0ctrl_word<9999999)</p><p>　　{ F0ctrl_word=10*F0ctrl_word+key;</p><p>　　WriteLcd_Number_4bit(0x91,(long)F0ctrl_word/10000); //H_4bit</p><p>　　WriteLcd_Number_4bit(0

108、x93,(long)F0ctrl_word%10000); //L_4bit</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key==16)</p><p>　　{ AD9954_gener_cos(F0ctrl_wor

109、d);</p><p>　　ddsF0_enter=1;</p><p>　　WriteLCD(0x8B,0,"請輸入 ");</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　#include &quo

110、t;ad9954.h"</p><p>　　#defineAD9954_CRL P0</p><p>　　sbitAD9954_FUD = AD9954_CRL^3; //有下拉</p><p>　　sbitAD9954_PS1 = AD9954_CRL^7; //有下拉</p><p>　　s

111、bitAD9954_PS0 = AD9954_CRL^6; //有下拉</p><p>　　sbitAD9954_SYN = AD9954_CRL^4; //有下拉</p><p>　　sbitAD9954_RST = AD9954_CRL^5; //有下拉</p><p>　　sbitAD9954_CLK=AD9954_

112、CRL^0;</p><p>　　sbit AD9954_SIO=AD9954_CRL^2; //雙向口</p><p>　　#define FREQ_COFF 10.73741824</p><p>　　static unsigned char _REF_CLK_T=1;</p><p>　　char code

113、 reg_length[11]={4,3,2,1,4,2,4,5,5,5,5};//寄存器長度表，用于查詢AD9954控制寄存器的長度</p><p>　　char xdata o_buf[10]={0xaa,0xaa,0xaa,1,1,1};</p><p>　　char xdata i_buf[10]={0,0,0,0,0,0,};</p><p&

114、gt;　　void delay_u(long v)</p><p>　　{ long i;</p><p>　　for(i=0;i<v;i++)</p><p><b>　　{_nop_();</b></p><p><b>　　nop_();</b></p>

115、<p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　

116、　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void AD9954_init(void)</p><p>　　{ AD9954_CRL=0x00;</p><p>　　AD9954_RST=1;</p><p>　　delay_u(10

117、000);</p><p>　　AD9954_RST=0;</p><p>　　AD9954_CLK=0;</p><p>　　AD9954_SIO=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void AD9954_writebyte_m(unsigned char

118、 dat) </p><p>　　{ char i,t;</p><p>　　AD9954_CLK=0;</p><p>　　AD9954_SIO=1;</p><p>　　P0MDOUT |= 0x01; </p><p>　　for(i=0;i<8;i++