基于單片機(jī)的正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) - 全文

　　摘 要：本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)為核心，輔以必要的模擬，數(shù)字電路，構(gòu)成了一個(gè)基于DDS技術(shù)的正弦波信號(hào)發(fā)生器。該軟件系統(tǒng)采用4*4鍵盤操作，以菜單形式進(jìn)行顯示，操作方便簡(jiǎn)單，軟件增加了許多功能。它通過啟動(dòng)DDS，把內(nèi)存緩存區(qū)的數(shù)據(jù)讀出送到DDS后輸出相應(yīng)的頻率，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼，通過液晶顯示器進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定度、精度極高，方便攜帶，適用于當(dāng)代的尖端的通信系統(tǒng)和精密的高精度儀器以及高頻無線傳輸系統(tǒng)等。

　　一.方案

　　1. 常見信號(hào)源制作方法：采用DDS，即直接數(shù)字頻率合成，其原理方框圖如圖0所示，

　　它以有別于其它頻率合成方法的優(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。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價(jià)比。

　　2.調(diào)幅電路：用增益可變運(yùn)放AD603，其傳輸帶寬高達(dá)90MHZ，完全可以滿足輸出信號(hào)頻率的要求。

　　3.調(diào)頻電路 ：壓控振蕩器

　　壓控振蕩器的輸出頻率是隨著輸入電壓的改變而改變的，鑒于此，如果用調(diào)制信號(hào)來控制壓控振蕩器的輸入電壓，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。這樣顯然簡(jiǎn)單而容易控制，且精度較高。

　　4.顯示模塊：采用液晶(LCD)顯示，界面形象清晰，內(nèi)容豐富，可顯示復(fù)雜字符，易于和單片機(jī)接口，且耗電少，故優(yōu)先采用。

　　5.A/D轉(zhuǎn)換模塊：用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC549實(shí)現(xiàn)，TLC549(TLC548)是TI公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器，它以8位開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于17us，它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)，且讀寫TLC549比讀寫ADC0809簡(jiǎn)單。

　　二.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為核心，控制DDS芯片AD9851產(chǎn)生頻率為1KHZ至10MHZ的正弦波系統(tǒng)框圖如圖1所示

圖1 正弦波系統(tǒng)總體框圖

　　2.模塊說明

　　(1)用單片機(jī)控制AD9851產(chǎn)生頻率為1K至10MHZ的正弦波，自動(dòng)增益控制實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)輸出幅度過大或偏小時(shí)，單片機(jī)通過檢波電路和A/D 采樣調(diào)節(jié)增益大小。放大級(jí)對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行幅度放大，然后輸出至負(fù)載。

　　(2)檢波電路對(duì)輸出信號(hào)采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)處理。

　　(3)顯示模塊對(duì)輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)顯示

　　(4)單片機(jī)控制壓控振蕩器產(chǎn)生頻0率隨調(diào)制信號(hào)變化的信號(hào)，并把已調(diào)信號(hào)送到AD9851，作為AD9851的時(shí)鐘頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)的調(diào)頻。

　　(5)模數(shù)轉(zhuǎn)換用8位串行A/DTLC549即可實(shí)現(xiàn)。

　　(6)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)用單片機(jī)直接產(chǎn)生，這種方式簡(jiǎn)便，快捷，而且穩(wěn)定度很好

　　3.理論分析與參數(shù)計(jì)算

　　(1)正弦信號(hào)發(fā)生器

　　DDS是產(chǎn)生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優(yōu)先選用技術(shù)。DDS以穩(wěn)定度高的參考時(shí)鐘為參考源，通過精密的相位累加器和數(shù)字信號(hào)處理，通過高速D/A變換器產(chǎn)生所需的數(shù)字波形(通常是正弦波形)，這個(gè)數(shù)字波經(jīng)過一個(gè)模擬濾波器后，得到最終的模擬信號(hào)波形。如圖2所示，通過高速DAC產(chǎn)生數(shù)字正弦數(shù)字波形，通過帶通濾波器后得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬正弦波信號(hào)，最后該模擬正弦波與一門限進(jìn)行比較得到方波時(shí)鐘信號(hào)。DDS系統(tǒng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外，DDS的固有特性還包括：相當(dāng)好的頻率和相位分辨率(頻率的可控范圍達(dá)μHz級(jí)，相位控制小于0.09°),能夠進(jìn)行快速的信號(hào)變換(輸出DAC的轉(zhuǎn)換速率300百萬次/秒)。這些特性使DDS在軍事雷達(dá)和通信系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。

　　本系統(tǒng)采用了美國(guó)模擬器件公司采用先進(jìn)DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品AD9851芯片。AD9851是在AD9850的基礎(chǔ)上，做了一些改進(jìn)以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相對(duì)于AD9850的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是多了一個(gè)6倍參考時(shí)鐘倍乘器，當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為180MHz時(shí)，在參考時(shí)鐘輸入端，只需輸入30MHz的參考時(shí)鐘即可。如圖4(AD9851內(nèi)部結(jié)構(gòu))所示，AD9851是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有6倍參考時(shí)鐘倍乘器的DDS芯片、10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個(gè)部分組成。其中具有6倍參考時(shí)鐘倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、D/A變換器以及低通濾波器集成到一起。這個(gè)高速DDS芯片時(shí)鐘頻率可達(dá)180MHz， 輸出頻率可達(dá)70 MHz，分辨率為0.04Hz。

　　為了實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，DDS的基準(zhǔn)信號(hào)源采用壓控振蕩器輸出的30 M頻率作為基準(zhǔn)信號(hào)源由于AD9851是貼片式的體積非常小，引腳排列比較密，焊接時(shí)必須小心，還要防靜電擊穿，焊接不好就很容易把芯片給燒壞。還有在使用中數(shù)據(jù)線、電源等接反或接錯(cuò)都很容易損壞芯片。所以在AD9851外圍采用了電源、輸入、輸出、數(shù)據(jù)線的保護(hù)電路。為了不受外界干擾，添加了不少的濾波電路，顯得整個(gè)電路更完美。詳細(xì)電路圖如圖2。

　　
圖2 硬件電路圖

　　(2)壓控振蕩器

　　MC1648有兩種基本型VCO的壓控特性，這里我們只采用其中一種第一種基本負(fù)阻集成LC VCO 電路如圖3 示,它僅用一只變?nèi)?a target="_blank">二極管,并由芯片MC1648 外加諧振回路組成。MC1648 為集成射極耦合振蕩電路,具有負(fù)阻效應(yīng),輸出MECL 電平。

　
　
圖3 基本負(fù)阻集成LC VCO 電路圖

　　其詳細(xì)電路圖如圖4所示

　　
圖4 詳細(xì)電路圖

　　(3)自動(dòng)增益控制模塊

　　AD603 的原理框圖[1 ]其原理圖如圖5 所示

　　
圖5 AD603 的原理框圖

　　已調(diào)信號(hào)從1K至10MHZ變化，頻帶很寬，用一般的運(yùn)放不能滿足要求，AD603的頻帶寬度為0到90MHZ，完全能夠滿足要求，且為增益可變運(yùn)放，由于頻率高時(shí)信號(hào)衰減比較快，用AD603可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的放大倍數(shù)。其電路他圖6所示

　　
圖6 AD603可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的放大倍數(shù)的電路圖

　　(5)正弦波調(diào)制信號(hào)

　　采用NE555產(chǎn)生1KHZ的正弦波調(diào)制信號(hào)，電路如圖7所示，其中AM和FM 都是用此電路產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)

　
　圖7 正弦波調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路圖

　　(6)穩(wěn)幅輸出模塊

　　峰值檢波器獲得輸出電壓的幅值，經(jīng)過A/D采樣后就得到輸出端當(dāng)前電壓的幅值，送回單片機(jī)與預(yù)設(shè)值相比就可以知道輸出下降的情況，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。

　　(7)顯示模塊

　　顯示電路是很重要的人機(jī)界面。在顯示電路中，我們沒有選擇普通的數(shù)碼管顯示，而是優(yōu)先采用了能夠顯示復(fù)雜字符的5 × 7 點(diǎn)陣液晶顯示器(1602)。此顯示界面分為上下兩行：提示字符“請(qǐng)輸入頻率：”下一行為頻率值顯示與數(shù)碼管相比，其優(yōu)點(diǎn)是：功耗低，顯示形象直觀，人機(jī)界面友好?？刂撇糠郑烘I盤輸入經(jīng)單片機(jī)處理后控制AD9851的頻率輸出，達(dá)到智能控制目的。

　　(8)按鍵電路

　　采用4*4鍵盤，系統(tǒng)不停的對(duì)按鍵進(jìn)行掃描，當(dāng)有鍵按下時(shí)，即轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的程序。

　　(九)A/D轉(zhuǎn)換模塊

　　其中 1和3腳為參考電壓，接電位器可以改變參考電壓，2腳為模擬信號(hào)輸入端，4腳為 接地端，5腳為片選，低電平有效，故接地，6，7，8分別為數(shù)據(jù)輸出端和時(shí)鐘輸入端及電源端。

　　三.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件流圖如圖8所示，通過按鍵選擇所需要的頻率，操作簡(jiǎn)單快捷。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

　　四.系統(tǒng)調(diào)試

　　根據(jù)方案設(shè)計(jì)要求，調(diào)試過程公分三大部分，硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，軟件和硬件聯(lián)調(diào)。電路按模塊逐個(gè)調(diào)試，各模塊調(diào)試通過后在聯(lián)調(diào)。程序先在最小系統(tǒng)板調(diào)試，通過后在軟硬聯(lián)調(diào)。

　　1. 硬件調(diào)試

　　(1) 高頻電路抗干擾設(shè)計(jì) AD9851的時(shí)鐘頻率很高，對(duì)周圍的電路有一定的影響，我們采取了各種抗干擾措施。例如引線盡量短，減少交叉，盡量減少跳線，在電源輸入端都加上去藕電容，數(shù)字地與模擬地分開，信號(hào)源與地盡量隔遠(yuǎn)，增大接地面積，這就要求設(shè)計(jì)電路時(shí)采取敷銅的方法，實(shí)踐證明，這些措施對(duì)消除某些引腳上的毛刺及干擾噪聲起到了很好的作用。

　　(2) 由于輸出頻率很高，因此對(duì)運(yùn)放的帶寬有一定的要求，我們選擇了帶寬較大的AD811。

　　2. 軟件調(diào)試

　　本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用C51寫，調(diào)試也是分模塊進(jìn)行，各個(gè)模塊調(diào)試通過函數(shù)里調(diào)用，這樣寫結(jié)構(gòu)明了，出錯(cuò)時(shí)容易查錯(cuò)。

　　3. 軟硬聯(lián)調(diào)

　　按程序定義的各個(gè)口分別把線接好，然后把程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)控制各個(gè)模塊

　　五.指標(biāo)測(cè)試

　　1. 測(cè)試儀器

　　(1)示波器

　　(2)萬用表

　　六.測(cè)試方法與結(jié)果分析

　　(1)通過鍵盤輸入所需的頻率，然后按確認(rèn)鍵即可從示波器上看到輸出信號(hào)，輸出頻率范圍為：1KHZ至10MHZ。輸入所需頻率后，按住“+”“-”鍵即可實(shí)現(xiàn)頻率的步進(jìn)，步進(jìn)頻率為100±5HZ，每按按一次“-”鍵，頻率降低：100±5HZ。

　　按一次“+”鍵，頻率升高：100±5HZ。

　　(2)輸出所需頻率F后，觀測(cè)到頻率跳變小于發(fā)F×10E-4，所以輸出頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10e-4.

　　(3)在輸出端接上50歐的電阻 ，用示波器探頭接到輸出端，觀察到示波器輸出峰峰值如下表所示

　　由此可見，輸出幅度符合基本要求。

　　(4)用示波器探頭接在輸出端，改變輸入頻率從1KHZ到10MHZ變化，輸出波形沒有失真現(xiàn)象。

　　經(jīng)過測(cè)試，基本部分的指標(biāo)都能達(dá)到。發(fā)揮部分由于要求輸出頻率帶寬很大，1KHZ到800KHZ 能夠滿足6v±1v，800KHZ到10MHZ電壓幅度放大不夠，只能達(dá)到2.5±0.5V,后來我們想設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器，由于時(shí)間倉(cāng)促，這部分沒辦法實(shí)現(xiàn)，所以1MHZ到10MHZ這個(gè)頻段沒有達(dá)到發(fā)揮部分的要求，在1M到10MHZ范圍內(nèi)調(diào)制度Ma 可在10%到100%內(nèi)程控調(diào)節(jié)，步進(jìn)量為10%，在100KHZ到10MHZ頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大頻偏位10KHZ，PSK和ASK信號(hào)都很好，沒有明顯的失真。

　　(5)用單片機(jī)產(chǎn)生速率為10Kbps的二進(jìn)制基帶信號(hào),從鍵盤輸入100KHZ的頻率，然后用二進(jìn)制基帶信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)，得到ASK信號(hào)和PSK信號(hào)。