基于AD9833的信号发生器的设计与实现272.docx
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基于AD9833的信号发生器的设计与实现272
基于AD9833的信号发生器的设计与实现_272
第七届高等电子设计大赛
题目：
信号发生器
小组成员：
王彬宇应用物理专业201105080107
寿耘信息工程专业201113010730
徐婷婷信息工程专业201113010828
二O一四年五月
摘要
本次设计是关于直接数字频率合成技术（DDS）的信号发生器的设计与实现。
设计以DDS芯片AD9833为频率合成器，以单片机STC89C52为进程控制和任务调度中心，并采用数模转换器TLC5615和模拟乘法器AD633组成幅值调节电路，实现幅值连续可调的波形发生器的设计方案。
且用LCD1602液晶显示及键盘构成人机交互模块，可通过按键切换输出的波形，使之输出不同频率和幅值的正弦波三角波和方波。
该信号发生器输出的信号频率范围为100HZ~100KHZ,幅值可以在0V~5V内进行步进调节。
测试表明该DDS信号发生器具有工作稳定，精度高，失真度小，控制灵活的优点，具有广泛的应用前景。
ABSTRACT
Thisdesignisthedesignandimplementationonthedirectdigitalfrequencysynthesis（DDS）signalgenerator.AD9833DDSchipdesignfrequencysynthesizer,amicrocontrollerSTC89C52forprocesscontrolandmissioncontrolcenter,andtheuseofdigital-analogmultiplierAD633TLC5615andcompositionoftheamplitudeadjustmentcircuit,continuouslyadjustableamplitudewaveformgeneratordesign.AndaliquidcrystaldisplayandakeyboardconstitutingLCD1602HCImodule,throughthekeyswitchoutputwaveform,sothattheoutputsinewaveofvaryingfrequencyandamplitudeofthetriangularwaveandsquarewave.Signalfrequencyrangeofthesignalgeneratoroutputto100HZ~100KHZ,steppingamplitudecanbeadjustedwithinthe0V~5V.TestsshowthattheDDSsignalgeneratorwithjobstability,highaccuracy,lowdistortion,controlledflexiblebenefits,hasbroadapplicationprospects.
1设计要求.....................................................................................................................1
1.1任务..........................................................................................................................1
1.2要求..........................................................................................................................1
1.2.1基本要求...............................................................................................................1
1.2.2发挥部分...............................................................................................................1
2系统方案设计与论证.................................................................................................1
2.1频率合成器的方案论证与选择..............................................................................1
2.2主控芯片的方案论证与选择..................................................................................2
2.3显示模块的方案论证与选择..................................................................................2
2.4系统总体构框图......................................................................................................2
3原理分析与系统硬件设计.........................................................................................3
3.1STC89C52单片机最小系统...................................................................................3
3.1.1键盘接口设计.......................................................................................................3
3.1.2LCD1602接口设计..............................................................................................4
3.2基于DDS的信号发生电路设计............................................................................5
3.2.1AD9833简介及与单片机接口.............................................................................5
3.2.2AD9833的外围电路设计.....................................................................................6
3.2.3基于AD633、TLC5615、OP37的幅度调节模块设计.....................................7
3.3电源设计................................................................................................................11
4软件设计...................................................................................................................12
4.1总体方案................................................................................................................12
4.2程序流图................................................................................................................13
4.3各模块说明............................................................................................................14
5系统测试...................................................................................................................29
5.1测试结果................................................................................................................29
5.2系统所达技术指标................................................................................................31
6结论...........................................................................................................................31
致谢..............................................................................................................................32
参考文献......................................................................................................................33
附件..............................................................................................................................34
1.设计要求
1.1任务
设计并制作一台信号发生器，分别能够产生正弦波、方波和三角波。
1.2要求
1.2.1基本要求
（1）信号发生器能够产生正弦波、方波和三角波三种周期性波；
（2）输出频率要求在100hz~100khz内可调；
（3）在1000Ώ负载条件下，输出正弦波信号的电压峰峰值VOPP在0~5V内可调；
（4）输出信号波形无明显失真；
（5）自制稳压电源；
1.2.2发挥部分
（1）在50Ώ负载条件下输出正弦波信号的电压峰峰值VOPP在0~5V范围内可调，调节的步进间隔为0.1V，输出信号的电压值可通过键盘进行设置；
（2）可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和电压步进值；
2.系统方案设计与论证
2.1频率合成器的方案论证与选择
方案一：
采用模拟分立元件可产生正弦波、方波和三角波，通过调整外部分立元件可改变输出频率，但采用模拟器件外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差，精度低，抗干扰能力差，而且灵活性较差，不能实现波形高精度分辨率以及波形运算输出等智能化功能。
方案二：
采用直接数字频率合成器（DDS）.用随机读写存储器RAM存储所需的量化数据，按照不同频率要求以频率控制字K为步进对相位进行累加，以累加相位值作为地址码读取存放在存储期内的波形数据，经D/A转换和幅度控制再滤波即可得所需波形。
由于DDS相对带宽很宽，频率分辨率可以做的很高等优点，另外，全数字便于集成，输出相位连续，频率、幅度和相位均可控，完全满足设计要求，所以我们采用了此方案。
2.2主控芯片的方案论证与选择
方案一：
采用AT89c51单片机，89C51是八位单片机，其指令是采用被称为“CISC”的复杂指令集，共有111条指令，且驱动能力弱，另外89C51需要专门的下载器下载程序。
方案二：
采用STC89C52，STC与AT功能相近，但STC89C2的驱动能力较强，且支持串口下载程序，AT系列最低电压要4.2V,而STC仅需3.8V,此外STC作为国产芯片价格更加便宜。
2.3显示模块的方案论证与选择
方案一：
用LED数码管，但数码管只能显示固定的数字和字母驱动电路复杂，显示程序编写难，且显示效果差，闪烁不定等缺点。
方案二：
LCD1602液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块接口电路简单等诸多优点得到广泛应用，而且液晶显示内容丰富清晰，显示更人性化，并/串口可选，程序简单，显示电路是反映电路性能外观最直观的部分，为了更好地实现电路的整体性能，显示模块选取1602作为显示器。
2.4系统总体结构框图
该系统中STC89C52控制AD9833输出所需要的波形和频率，输出的信号输入到模拟乘法器AD633,AD633和数模转换器TLC5615及OP37组成幅值放大器；波形的频率和幅值由键盘输入，LCD显示输出的波形和频率，原理如图所示。
3.原理分析与系统硬件设计
3.1STC89C52单片机最小系统设计
STC89C52单片机最小系统如图所示：
3.1.1键盘接口设计
本系统因为要改变输出波形的种类，设置波的频率和峰峰值，所以需要设置键盘。
此处我们仅用了4个按键来简单的完成上述任务。
使用软件扫描的方式来获得按键信息，因为按键需要去抖动，这些都采用软件编程的方式实这样可以节省硬件资源，是电路变得简单。
四个按键分别连到STC89C52的P2.0~P2.3口，用单片机获取按键信息。
如图为键盘控制电路。
3.1.2LCD1602接口设计
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
1602采用标准的16脚接口，其中管脚功能:
第1脚：
VSS为电源地。
第2脚：
VCC接5V电源正极。
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
第6脚：
E（或EN）端为使能（enable）端,高电平时读取信息，负跳变时执行指令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据端。
第15～16脚：
背灯电源。
15脚背光正极，16脚背光负极。
3.2基于DDS的信号发生电路设计
3.2.1AD9833简介及与单片机接口
AD9833是一款采用DDS技术、低功耗、可编程波形发生器，器件采用MSOP封装，非常小巧，外围电路简单，仅需要1个外部参考时钟、一个低精度电阻器和一个解耦电容器，通过SPI接口和单片机相连，编程可生成正弦波、三角波、方波。
输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节。
AD9833的主频时钟为25MHz时，精度为0.1Hz，主频时钟为1MHz时，精度可以达到0.004Hz。
AD9833的引脚图如图3-2所示，各引脚的功能如表3-1所示。
图3-2AD9833的引脚图
引脚号
符号
功能说明
1
COMP
DAC偏移引脚，该脚用来为DAC偏移解耦
2
VDD
电源电压
3
CAP/2.5
数字电路电源端
4
DGND
数字地
5
MCLK
主频数字时钟输入端
6
SDATA
串行数字输入
7
SCLK
串行时钟输入
8
FSYNC
控制输入，低电平有效
9
AGND
模拟地
10
VOUT
输入频率
AD9833与微处理器接口如图：
三种波形通过AD9833的VOUT引脚输出，控制寄存器的OPBITEN（D5）和mode（D1）bits用于决定AD9833将提供的输出。
3.2.2AD9833外围电路设计
AD9833是一个完全集成的直接数字频率合成芯片。
该芯片需要一个参考时钟、一个精密低电阻和多个去耦电容，用数字方式产生高达125MHZ的正弦波。
AD9833外围电路如下所示：
3.2.3基于AD633、TLC5615、OP37的幅度调节模块设计
由于AD9833的输出信号的峰峰值的典型值为0.6V，而且是单极性的，不能满足设计要求，所以模块要实现单极性波形转换为双极性波形和幅值放大两项功能。
设计中要求实现幅值的连续可调，并且要实现波形单极性到双极性的转换，需要具有差分输入功能的幅值放大器。
故采用数模转换器TLC5615和模拟乘法器AD633组成幅值调节电路，又因为经AD633输出的信号放大倍数有限，所以在前面的基础上加一个基于OP37的幅值放大电路。
AD633简介：
AD633是一款功能完整的四象限模拟乘法器，包括高阻抗差分X和Y输入以及高阻抗求和输入（Z）。
低阻抗输出电压为10V标称满量程，由一个嵌入式齐纳二极管提供。
AD633是首款采用价格适中的8引脚PDIP和SOIC封装提供这些功能的产品。
AD633经过激光校准，保证总精度为满量程的2%。
在10Hz至10kHz带宽内，Y输入的非线性典型值小于0.1%，折合到输出端的噪声典型值低于100μV均方根。
AD633具有1MHz带宽和20V/μs压摆率，并且能驱动容性负载，适合各种注重简单和成本的应用。
AD633的简单易用并不影响其多功能性。
用户可以通过Z输入访问输出缓冲放大器，从而可以将两个或更多乘法器的输出相加，提高乘法器增益，将输出电压转换为电流，以及配置各种应用。
AD633提供8引脚PDIP和SOIC两种封装，J级的额定工作温度范围为0°C至70°C商用温度范围，A级为−40°C至+85°C工业温度范围。
由于AD9833输出的正弦波和三角波的峰峰值最大为0.6V，方波为5V，为保持一致性需要根据输出波形调整AD633第八个引脚处X2的值。
为使该处电压稳定且自动可调，将8引脚与TLC5615（b）的输出端相连，通过软件设定当方波时TLC5615（b）输出2.5V给AD633的八脚，正弦波和三角波时输出0.3V给AD633。
AD633外围电路如下图：
TLC5615简介：
TLC5615是带有缓冲4基准输入的10位电压输出数字—模拟转换器DAC具有基准电压两倍的输出电压范围，且DAC是单调变化的。
器件使用简单，用单5V电源工作，器件具有上电复位功能已确保可重复启动。
TLC5615的数字控制通过3线串行总线，它是CMOS兼容的且易于和工业标准微处理器和微控制器接口，器件接收数据字以产生模拟输出。
数字输入端的特点包括带有斯密脱触发器，它具有高噪声抑制能力。
8引脚的小型D封装允许在空间受限制的应用中实现模拟功能的数字控制。
TLC5615外围电路如下图：
OP37简介：
OP37作为一种低噪声、精密、高速运算放大器OP37可提供与OP27一样的高性能，但前者的设计针对增益大于5的电路进行了优化。
这一设计变更将压摆率提高到17V/µs，并将增益带宽积提高到63MHz。
OP-37不仅具有OP-07的低失调电压和漂移特性，而且速度更高、噪声更低。
失调电压低至25µV，最大漂移为0.6µV/°C，因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。
极低噪声（10Hz时en=3.5nV/√Hz）、低1/f噪声转折频率（2.7Hz）以及高增益（180万），能够使低电平信号得到精确的高增益放大。
利用偏置电流消除电路，OP-37可实现±10nA的低输入偏置电流和7nA的失调电流。
在整个军用温度范围内，此电路通常可以将IB和IOS分别保持在±20nA和15nA。
输出级具有良好的负载驱动能力。
±10V保证摆幅（600Ω）和低输出失真使OP-37成为专业音频应用的绝佳选择。
OP37外围电路如下图：
由AD633和TLC5615、OP37构成的完整幅值调节电路如图所示：
TLC5615与STC89C52单片机连接图如图所示：
3.3电源设计
该系统中多处需要正负15V、正负5V电源，为简化电路，且使系统上电方便快捷，系统使用正负15V电源，并采用7805、7905两个三端稳压集成电路分别输出正负5V电压。
从而满足系统需求。
三端稳压集成器简介：
7805三端稳压集成电路，电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
在78**、79**系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。
从正面看①②③引脚从左向右按顺序标注，接入电路时①脚电压高于②脚，③脚为输出位。
如对于78**正压系列，①脚高电位，②脚接地，；对与79**负压系列，①脚接地，②脚接负电压，输出都是③脚。
78**系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。
还要考虑输出与输入间压差带来的功率损耗，所以一般输入为9-15V之间。
稳压部分电路如下图：
4.软件设计
4.1总体方案
本系统的软件设件包括了1602液晶显示、AD9833模块、STC89C52模块、幅值调节模块、按键模块、初始化函数和主函数。
设计时首先对系统进行初始化，其次显示LCD，并使系统运作起来，由STC89C52控制AD9833输出波形，最后，我们可以通过按键模块对整个系统的输出波形、峰峰值和频率进行变化，键盘扫描子程序实现键盘扫描功能，并传送数值到TLC5615。
显示模块子程序完成对LCD的初始化和显示输出。
AD9833模块和STC89C52模块是本次软件设计的重点。
另外MCU和AD9833的SPI接口速
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