基于AD9833的信号发生器的设计与实现272

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1、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

2、器输出的信号频率范围为100HZ100KHZ,幅值可以在0V5V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。ABSTRACTThis design is the design and implementation on the direct digital frequency synthesis (DDS) signal generator. AD9833 DDS chip design frequency synthesizer, a microcontroller STC89C52 for process control a

3、nd mission control center, and the use of digital-analog multiplier AD633 TLC5615 and composition of the amplitude adjustment circuit, continuously adjustable amplitude waveform generator design. And a liquid crystal display and a keyboard constituting LCD1602 HCI module, through the key switch outp

4、ut waveform, so that the output sine wave of varying frequency and amplitude of the triangular wave and square wave. Signal frequency range of the signal generator output to 100HZ 100KHZ, stepping amplitude can be adjusted within the 0V 5V. Tests show that the DDS signal generator with job stability

5、, high accuracy, low distortion, controlled flexible benefits, has broad application prospects.目录1设计要求.11.1任务.11.2要求.11.2.1基本要求.11.2.2发挥部分.12系统方案设计与论证.12.1频率合成器的方案论证与选择.12.2主控芯片的方案论证与选择.22.3显示模块的方案论证与选择.22.4系统总体构框图.23原理分析与系统硬件设计.33.1 STC89C52单片机最小系统.33.1.1键盘接口设计.33.1.2 LCD1602接口设计.43.2基于DDS的信号发生电路设计

6、.53.2.1 AD9833简介及与单片机接口.53.2.2 AD9833的外围电路设计.63.2.3基于AD633、TLC5615、OP37的幅度调节模块设计.73.3电源设计.114软件设计.124.1总体方案.124.2程序流图.134.3各模块说明.145系统测试.295.1测试结果.295.2系统所达技术指标.316结论.31致谢.32参考文献.33附件.341.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100hz100khz内可调；（3）在1

7、000负载条件下，输出正弦波信号的电压峰峰值VOPP在05V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50负载条件下输出正弦波信号的电压峰峰值VOPP在05V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

8、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

9、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

10、，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。信号发生器AD9833键盘STC89C52LCDOP37放大模拟乘法器AD633DACTLC56153.原理分析与系统硬件设计3.1 STC89C52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

11、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P2.0P2.3口，用单片机获取按键信息。如图为键盘控制电路。3.1.2 LCD1602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

12、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714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516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3.2.1 AD9833简介及与单片

13、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1COMPDAC偏移引脚，该脚用来为DAC偏移解耦2VDD电源电压3CAP/2.5数字电路电源端4DGND数字地

14、5MCLK主频数字时钟输入端6SDATA串行数字输入7SCLK串行时钟输入8FSYNC控制输入，低电平有效9AGND模拟地10VOUT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。3.2.2 AD9833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AD9

15、833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

16、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100V均方根。AD633具有1MHz带宽和20V/s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0C至70C商用温度范围，A级为40C至+85C工

17、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

18、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/s，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25V，最大漂移为0.6V/C，因而该器件

19、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(600)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

20、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

21、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。从正面看引脚从左向右按顺序标注，接入电路时脚电压高于脚，脚为输出位。如对于78*正压系列，脚高电位，脚接地，；对与79*负压系列，脚接地，脚接负电压，输出都是脚。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160

22、2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接口速率较高，可达到1Mbps，所以在软件中需要对时序做准确的设计。4.2程序流图开始系统初始化显示及写入初始化设置有键按下NY按

23、键判别峰值调节退出频率调节波形调节微调TLC5615设置写入AD9833显示输出4.3各模块说明4.3.1液晶显示程序该模块包含了1602的初始化函数，显示函数，显示函数中通过调用1602写指令函数、写数据函数完成对按键输入信息的显示。1602显示屏可显示两行信息，第一行显示频率用FREQ表示，第二行显示峰峰值用VPP表示。voidwrite_1602com(ucharcom)/1602写指令rd=0;/rd=0写指令P0=com;/P0端口发送指令delays(5);lcden=1;delays(5);lcden=0;voidwrite_1602dat(uchardat)/写数据rd=1;P

24、0=dat;/发送数据delays(5);lcden=1;delays(5);lcden=0;voidinit1602()/1602初始化wr=0;/读写端Llcden=0;write_1602com(0x38);write_1602com(0x0c);/开显示不显示光标write_1602com(0x06);write_1602com(0x01);/清屏voiddisplay()/显示函数ucharw;write_1602com(0x80);write_1602dat(F);write_1602dat(R);write_1602dat(E);write_1602dat(Q);write_16

25、02dat(:);write_1602dat(display_codefreq_code0);write_1602dat(display_codefreq_code1);write_1602dat(display_codefreq_code2);write_1602dat(display_codefreq_code3);write_1602dat(display_codefreq_code4);write_1602dat(display_codefreq_code5);write_1602dat(display_codefreq_code6);write_1602dat(H);write_16

26、02dat(z);/第二行开始write_1602com(0x80+0x40);write_1602dat(V);write_1602dat(p);write_1602dat(p);write_1602dat(:);write_1602dat(display_codevpp_code0);write_1602dat(.);write_1602dat(display_codevpp_code1);write_1602dat(display_codevpp_code2);write_1602dat(display_codevpp_code3);write_1602dat(V);write_1602

27、dat();for(w=0;w0)write_1602com(0x80+0x44+1+tab);elsewrite_1602com(0x80+0x44+tab);write_1602com(0x0f);/光标闪烁if(up=0)delays(10);if(up=0)vpp_codetab+;if(vpp_codetab=10)vpp_codetab=0;display();while(!up);if(down=0)delays(10);if(down=0)if(vpp_codetab=0)vpp_codetab=10;vpp_codetab-;display();while(!down);if

28、(fun=3)write_1602com(0x80+0x40+13);write_1602com(0x0f);/光标闪烁if(up=0)delays(10);if(up=0)waveform+;if(waveform=3)waveform=0;display();while(!up);if(down=0)delays(10);if(down=0)if(waveform=0)waveform=3;waveform-;display();while(!down);if(vpp_code0*1000)+(vpp_code1*100)+(vpp_code2*10)+vpp_code3)7200)vpp

29、_code0=7;vpp_code1=2;vpp_code2=0;vpp_code3=0;display();while(set_sw=1);4.3.3 TLC5615调节转换程序该模块包括TLC5615的数模转换程序和输出微调程序。由于随频率的改变，输出波形的幅度会有不同程度的失真，所以对TLC5615a的输出数据进行微调，从而使输出与设置一致。Void fix()/数据写入前的微调Double sm=8.333,sn=0.00000947,sb=9.333;/正弦波修正参数Double tm=8.333,tn=0.0000189,tb=9.133;/三角波修正参数if(waveform=1

30、)v5615b=2.5;v5615a=(v5615a/9.396);/8.33*(5.64/5)elsev5615b=(0.3+0.03);if(waveform=0)if(freq1000)v5615a=(v5615a*tm)/(tb-(tn*freq);elsev5615a=(v5615a*0.9124);if(waveform=2)if(freq1000)v5615a=(v5615a*sm)/(sb-(sn*freq);elsev5615a=(v5615a*0.8928);/*TLC5615DAC转换程序*/Void DAConvert(double v,unsigned int cs)

31、Unsigned char i;Unsigned int Data;if(v4.97)v=4.97;Data=(512*v)/vref);Data=2;SCLK=0;if(cs=0)CS0=0;elseCS1=0;for(i=0;i12;i+)if(Data&0x800)DIN=1;elseDIN=0;SCLK=1;Data=1;SCLK=0;CS0=CS1=1;4.3.4 AD9833程序该模块包括将输入的频率、峰峰值转换为十进制值函数，及设置AD9833的频率，输出波形及相位值函数，最后通过AD9833写入16位数据函数使AD9833输出已设置波形。Void convert()/将8421

32、码转换为十进制Double i=10000;freq=0;vpp=0;/频率freq=(freq_code0*1000000)+freq);freq=(freq_code1*100000)+freq);freq=(freq_code2*i)+freq);freq=(freq_code3*1000)+freq);freq=(freq_code4*100)+freq);freq=(freq_code5*10)+freq);freq=(freq_code6+freq);/Vppvpp=(vpp_code0*1000)+vpp);vpp=(vpp_code1*100)+vpp);vpp=(vpp_co

33、de2*10)+vpp);vpp=(vpp_code3+vpp);v5615a=(vpp/1440);/*向AD9833写位数据，严格按照这个时序，不能随意修改否则必出错！*/voidwrite_ad9833_d16(unsignedintx)inti,w;ad9833_sclk=1;ad9833_fsync=1;ad9833_fsync=0;w=x;for(i=0;i16;i+)/开始写位数据ad9833_sdata=w&0x8000;ad9833_sclk=0;ad9833_sclk=1;w=w14;/frequence_hex高位送给frequence_HSBfrequence_MSB=

34、frequence_MSB&0x3fff;/去除最高两位，位数换去掉高位后变成了位Phs_data=Phase|0xC000;/相位值/*/if(frequence_SFR=0)/把数据设置到设置频率寄存器frequence_LSB=frequence_LSB|0x4000;frequence_MSB=frequence_MSB|0x4000;/*使用频率寄存器输出波形*/write_ad9833_d16(0x0100);/复位AD9833,即RESET位为write_ad9833_d16(0x2100);/选择数据一次写入，B28位和RESET位为write_ad9833_d16(frequ

35、ence_LSB);/L14，选择频率寄存器的低位数据输入write_ad9833_d16(frequence_MSB);/H14频率寄存器的高位数据输入write_ad9833_d16(Phs_data);/设置相位/write_ad9833_d16(0x2000);/*设置FSELECT位为，芯片进入工作状态,频率寄存器输出波形*/*/if(frequence_SFR=1)/把数据设置到设置频率寄存器frequence_LSB=frequence_LSB|0x8000;frequence_MSB=frequence_MSB|0x8000;/*使用频率寄存器输出波形*/write_ad983

36、3_d16(0x0100);/复位AD9833,即RESET位为write_ad9833_d16(0x2100);/选择数据一次写入，B28位和RESET位为write_ad9833_d16(frequence_LSB);/L14，选择频率寄存器的低位输入write_ad9833_d16(frequence_MSB);/H14频率寄存器为write_ad9833_d16(Phs_data);/设置相位/write_ad9833_d16(0x2800);/*设置FSELECT位为，设置FSELECT位为，即使用频率寄存器的值，芯片进入工作状态,频率寄存器输出波形*/*/if(WAVE_MODE=

37、0)/频率寄存器输出三角波波形delay(100000);write_ad9833_d16(0x2002);/设置MODE位为，输出三角波模式/*/if(WAVE_MODE=1)/频率寄存器输出方波波形delay(100000);write_ad9833_d16(0x2020);/设置OPBITEN位为，方波输出模式f=f/2/*/if(WAVE_MODE=2)/频率寄存器输出正弦波波形delay(100000);write_ad9833_d16(0x2000);/设置MODE位为，输出正弦波模式/*/5.系统测试5.1测试结果经过2周时间的方案选择和元件选型后，开始原理图制作，硬件系统由16

38、02液晶显示模块、单片机STC89C52模块、信号发生AD9833模块、TLC5615和AD633构成的幅值调节模块、OP37放大模块、按键模块共6个小模块组合而成。整个系统按照自己的设计顺利制作完成后，开始一个完整的调试，现对主要模块进行测试并记录一系列的测试参数。测试仪器：数字示波器数字万用表15V稳压电源5.1.1 TLC5615、AD633幅值调节模块调试该模块能否正常工作关系到系统是否能输出符合要求的波形，即频率和峰峰值与设定一致。测试时将AD633的输出端与示波器相连，系统上电后发现低频信号输出正常，但频率高于10KHZ时信号严重失真，经查阅AD633的数据手册后发现我们选用的AD

39、633第四脚两个电阻的比值不当，经不断测试将1K、15K调整为15K、35K后100KHZ以内的信号可几乎无失真输出。但继续调试发现波形幅值达不到要求，经查阅资料决定在AD633后面加一个基于OP37的幅值放大电路，放大倍数设置为五倍，由于OP37的GBW为63MHZ，所以可以将100KHZ内的信号几乎无失真放大五倍，经测试发现输出与预想一致，输出波形符合设计要求。5.1.2软件调试将软件烧录进单片机后1602显示模块可正常工作，并能正确显示按键输入信息，但当液晶显示器的频率第三位数字设置大于等于四时，输出信号频率小于设置频率，后经修改软件后问题解决。调试过程中信号输出虽基本符合要求，但随着信号频率的改变，信号峰峰值有不同程度的失真，经比较数据发现在一定频率范围内峰峰值失真程度为递增或递减趋势，一定范围内失真程度为恒定值。找到频率与失真