第 9卷 第 12期 2009年 6月科 学 技 术 与 工 程
Science Technology and Engineering
基于单片机控制的数字函数信号发生器的
设计与实现
黄立新
(永州职业技术学院 ,永州 425100)
摘 要 采用直接频率信号合成器 (DDS)与单片机 (MCU )相结合的方法 ,以 AD9850为频率合成器、AT89S52单片机为进程 控制和任务调度的核心 ,设计了一个信号频率和幅度都能预置、率稳定度优于 10 - 6的函数信号发生器。详细介绍了 DDS基 频 本原理、统方案构成、件电路设计和软件设计。通过严格的实测数据分析表明该设计是可运行的。 系硬 关键词 单片机 DDS A /D转换 数字控制 中图法分类号 TN919. 72; 文献标志码 A
信号源作为一种基本电子设备在教学、科研、 全数控函数信号发生器的结构如图 1所示。 电子产品测量与调试、部队设备技术保障等领域 , 都有着广泛的应用。随着科学技术的发展和测量 技术的进步 ,对信号源的要求越来越高 ,普通的信 号发生器已无法满足目前日益发展的电子技术领 域教学、研和企业生产调试的需要。DDS技术是 科 一种新兴的直接数字频率合成技术 ,具有频率分辨 率极高、率切换速度快、切换相位连续、输出信号 频 相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、 重量轻等优点 ,在雷达及通信等领域有着广泛的应 用前景。
图 1 全数控函数信号发生器结构框图
本系统主要由单片机、DDS直接频率信号合成 数 真 器、字衰减电路、有效值转换模块、A /D转换模 块、字积分选择电路等部分组成。数 Vol1 9 No112 June 2009
167121819 (2009) 1223278206 Ζ 2009 Sci1Tech1Engng1
1 系统设计方案
本文提出一种采用 DDS作为信号发生核心器
2 DD S基本原理
件的全数控函数信号发生器设计方案 ,根据输出信 直接数字频率合成器 号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控预 置、出频率宽等要求 ,选用美国 A /D公司的 AD9850芯片 ,通过单片机程序控制和处理 AD9850 的 32位频率控制字 ,经放大后加至以数字电位器为 核心的数字衰减网络 ,最终实现了信号幅度、信号 频率、号类型、号输出等选项的全数字控制。 信信
sizer)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种 频率合成技术。一个直接数字频率合成器由相位 加波 累加器、法器、形存储 ROM、D /A转换器和低通 滤波器 (LPF)组成。DDS的组成结构如图 2所示。
图 2中 K为频率控制字 (也叫相位增量 ) , P为 相位控制字 , W为波形控制字 , fc为参考时钟频率 , N为相位累加器的字长 , D为 ROM数据位及 D /A
2009年 3月 9日收到
转换器的字长。相位累加器在时钟 fc的控制下以
12期
黄立新 :基于单片机控制的数字函数信号发生器的设计与实现
率为 fc
2
32 79
,因此 ,只要 N足够大 , DDS就可以得到很细
的频率间隔。要改变 DDS的输出频率 ,只要改变频 率控制字 K即可。
以 AD9850为例 ,输出频率的一般表达公式为 :
图 2 DDS的组成结构
fout = k fc
2
32
。式中 k为 32位的二进制值 ,可写成 : k =
A 31 2
31
+ A 30 2 30
+… + A 1 2 + A 0 2 ,其中 A 31 , A 30 ,…, 1 0
步长 K作累加 ,输出的 N位二进制码与相位控制字 P、形控制字 W相加后作为波形 ROM的地址 ,对 波
波形 ROM进行寻址 ,波形 ROM输出 D位的幅度码
S ( n)经 D /A转换器变成阶梯波 S ( t) ,再经过低通 A 1 , A 0。对应于 32位码值 ( 0或 1)。可见 ,改变频率
控制字 K即可改变输出频率 fout。
3 硬件电路设计
滤波器平滑后就可以得到合成的信号波形。合成 的信号波形取决于波形 ROM中存放的幅度码 ,因 此用 DDS可以合成任意波形。
3. 1 DD S信号产生电路
考虑到 DDS具有频率分辨率较高、率切换速 频 度快、换相位连续、输出信号相位噪声低、可编 切 程、数字化、于集成、体积小、重量轻等优点 ,该 全易 方案选用美国 A /D公司的 AD9850芯片 ,并采用单 片机为核心控制器件对 DDS输送频率控制字 ,使 DDS输出相应频率和类型的信号 ,如图 3所示。
DDS方程为 :输出频率 fout = k 2
钟频率。当 k = 1时 , DDS输出最低频率 (即频率分
fc
N ,其中 fc为时
辨率 )为 2
fc
N ,而 DDS的最大输出频率由 Nyquist采样
N
定理决定 ,即当 K取最大值 ( 2 - 1)时 ,最大输出频
图 3 DDS信号产生电路
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科 学 技 术 与 工 程
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单片机与 AD9850的接口既可采用并行方式 , 也可采用串行方式 ,但为了充分发挥芯片的高速性 能和节约单片机资源 ,本设计选择并行方式将
AT89S52的 P0口经 74HC373锁存器扩展后接至 DDS的并行输入控制端 (D0～D7 )。AD9850外接 120MHZ的有源晶振 ,产生的正弦波信号经低通滤 波器 (LPF)去掉高频谐波后即可得到波形良好的模 拟信号。将 D /A转换器的输出信号经低通滤波后 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。将方波信号进一步加至积分 电路后即可得到三角波信号。另外 ,还可以通过键 盘编辑任意波形的输出信号。 3. 2 键盘输入接口及 LCD接口电路
数字输入设置电路采用 2×8矩阵键盘 ,又由于 LCD有显示内容多 ,电路结构简单 ,占用单片机资源少 等优点 ,本系统采用 RT1602C型 LCD液晶显示屏显示
频和
所示。
同样考虑到 AT89S52单片机 IO引脚资源有
限 ,本系统的键盘输入及 LCD输出均通过 74HC245 连接到 AT89S52单片机的 P0端口 ,从而实现的端
[3]
口扩展和复用 。
3. 3 信号幅度数控预置电路
为了实现对输出的正弦模拟信号幅度的数字控制
和预置 ,本系统采用了 AD811高速运放、字电位器衰 数
数字电位器 X9C102是实现信号幅度数字可调 减、有效值转换、及 A /D转换等电路 ,如图 5所示。 真以 的关键器件
[4]
图 4 键盘输入接口及 LCD接口电路
3. 4 积分电容自动切换控制电路
三角波也是常用信号之一 ,本系统采用 RC积 分电路将方波信号转换成三角波信号。但考虑信 号频率很宽 ,低频达到 1 Hz以下 ,高频达 60 MHz以 上 ,为了完成不同频段时的线性积分 ,需要不同大 小的积分电容 ( 10 pF、100 pF、1 nF、10 nF、100 nF、 1μF、10μF、100μF)。又由于数控和自动切换的 需要 ,本系统采用 CD4051八选一电路 ,如图 6所示。
。真有效值转换模块 AD637主责实
现信号的 TRM S /DC转换 ,经 TLC2453模数转换后 向单片机输送能直接正比于正弦波信号幅度大小 信息的数字量 ,以便单片机输出合适的幅值控制 指令。
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图 5 信号幅度数控预置电路
三角波 ,然后经 AD811高速运放即可提高负载能力。
4 系统软件设计
4. 1 主程序
主程序主要控制整个系统的运行 ,包括系统的 初始化程序、示子程序、运算子程序、键盘扫描子 显 程序、率控制子程序、幅度控制子程序等。本系 频 统的主程序流程如图 7所示。
图 6 积分电容自动切换控制电路
CD4051八选一电路的控制信号来源于 AT89S52 单片机的 P0～P3接口 , 74HC373P也是考虑复用 P0端 口而设置的。AD9850输出的方波经积分电路转换为
图 7 主程序流程图
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初始化后 ,系统设定为默认的工作状态 ,通过扫 描键盘判断是否有按键按下来确定用户须执行的任 务 ,然后判断 23H. 4、20H. 1、20H. 0各功能标志位确 定应执行的功能。当 23H. 4 = 1时计算频率值系统工 作在频率计方式下 ;当 20H. 1 = 1时检测峰峰值系统 检测输出信号的峰峰值 ;当 20H. 0 = 1时更新 LCD显 示内容 ,执行完后返回键盘扫描程序以此循环。以上 的各功能标志位由键盘程序、峰值检测程序、时 峰定 程序等控制实现了本系统的各种功能。 4. 2 键盘扫描子程序
键盘扫描子程序流程如图 8所示。
因按键较多 ,因此采用 2×8行列式键盘节约 I/ O口 ,程序把 8根列线全部拉低再判断 2根行线是 否有低电平 ,如果没有说明没有按键按下则退出键 盘扫描程序 ,否则依次拉低列线依次判断行线是否 有低电平实现判断键号 ,键号确定后转到键号相对 应的功能程序去执行。键盘主要方便用户设置频 率、度、择工作方式等功能。 幅选
该部分程序完成键盘输入值转换成十六进制 , 然后产生相应的频率控制字送至 DDS芯片 ,改变 DDS的相位增量 ,最终输出相应频率的信号。
5 应用实例
本系统设计经过了 2007年全国大学生电子设
计比赛的严格测试检验 ,并在本校电子技术系两种 系列函数信号发生器的改装过程中增加了二阶低 通滤波电路 ,明显提升了输出信号的信噪比。
6 结 论
图 10 二阶低通滤波电路
通过严格的实验测试 ,本系统采用 DDS实现了 输出信号类型可选择设置、信号频率数字预置、信 号幅度数字步进可调等功能 ,是一款输出信号频率 覆盖宽 ( 0. 023 Hz～40 MHz)、信号源分辨率高、波 形失真小、数控型函数信号发生器。具有一定的 全 实用开发价值。
参 考 文 献
图 8 键盘扫描子程序流程图
4. 3 信号频率数字预置子程序
信号频率的数字控制程序流程图如图 9所示。
1 肖汉波.一种基于 DDS芯片 AD9850的信号源.电讯技术 , 2003;
( 02) : 47—50
2 高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.北京 :北京电
子工业出版社 , 2007
3 周航慈.单片机应用程序设计技术.北京 :北京航空航天大学出
版社 , 2003
4 刘文涛.单片机应用开发实例.北京 :清华大学出版社 , 2005 5 毛 敏 ,郑 珍 ,周 渭.基于 DDS的低通滤波器的设计与实
现.电子科技 , 2006; 3: 17—19
图 9 信号频率数字预置程序流程
(下转第 3287页 )
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3 Gedney S D. An anisotrop ic perfectly matched layer absorbing media
for the truncation of FDTD lattices. tion, 1996; 12: 1630—1639
更为详细的结果。可以看出 ,本文讨论的方法适用 于更为复杂环境 UWB信道的仿真计算。
参 考 文 献 4 葛得彪 ,闫玉波.电磁波时域有限差分方法.西安 :西安电子科技
大学出版社 , 2005: 1—113
5 高本庆.时域有限差分法 FDTD Method.北京 :国防工业出版社 ,
magnetic waves. J Computational Physics, 1994; 114: 185—200
1995: 1—47 6 葛利嘉 ,曾凡鑫 ,刘郁林 ,等.超宽带无线通信.北京 :国防工业出
sotrop ic absorber for use as an absorbing boundary condition. IEEE
版社 , 2005: 39—75
Trans Antennas Propagation, 1995; 12: 1460—1463
1
( The Academy of Equipment Command & Technology, Beijing 101416, P. R. China; National University of Defense Technology1 , Changsha 410073, P. R. China)
tracting method are analyzed. And the channel characteristic parameters is p resented in som e case. [ Key words] FDTD command post UWB channel
(上接第 3282页 )
Ba sed on the Con trol of M CU
李晓波 ,等 :基于 APML2FDTD方法的指挥所 UWB信道分析
IEEE Trans Antennas Propaga2
1 Berenger J P. A perfectly matched layer for the absorp tion of electro2 ( Yongzhou Vocational Technical College, Yongzhou 425100, P. R. China)
2 Sacks Z S, Kingsland D M , Lee D M , et al. A perfectly matched an i2
[ Abstract] The way is used which com bines the D irect D igital Synthesizer (DDS) and M ain Computational Unit (MCU ) to design a function signal generator. It uses AD9850 as Frequency Synthesizer and it uses AT89S52 MCU as a core which can realize p rocess control and task assignment. The generator can establish signal frequency and amp litude in advance. The stable parameter is better than 10 . The p rincip le and system components of DDS is sign by the data which come from the strict experim ents.
[ Key words] MCU DDS A /D transfer digital control
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