基于单片机的任意波形发生器的-设计

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1 绪论

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在当今这个时代人们的生活水平不断提高，而产生方波、正弦波、三角波等波形的发生器存在一定的缺陷，现在我们应该需要一种能产生任意波形的发生器，它不单能产生传统的波形，还能输出它的频率、周期等功能，并且它的分辨率要求也是比较高的，还能清晰的看出波形图的幅值跟频率。因此，本设计中的信号发生模块选择AD9833,主控制器选择STC89C52单片机来实现，这些芯片就能完成了任意信号发生器的设计了。

1.1 课题背景及意义

在最近几年出现了一个能产生任意波形信号源的发生器，这就是任意波形发生器。任意波形发生器比之前的波形发生器还利用了数模转化和微处理器等功能。任意波形发生器能够根据人们的要求显示出不同的波形，其中波形的周期也是可以变化的。它也可以产生一般发生器显示的波形，比如方波，三角波，正弦波等稳定周期的波形[1]。

伴随着人类的进步，在工业上、电子上的发展不断加快，使人们对信号需要更深透的理解。通信的发展都需要不同的信号来测试，在研究生物学领域的时候，也要接触脑波信号跟神经信号等电信号。所以，任意信号发生器部分的信号源是由自动化部分的系统跟较少的测试方案一起组成的。这种发生器的发展越来越快，在电学跟非电学领域中发展也很快。

目前，大多数仪器设备开始朝着低功耗、便携式、智能化和多功能方向发展。大多数新型的函数信号发生器都不再采用分立元件的方法，主要是因为采用分立元件制作的信号发生器的功耗较大，并且最终实现设计的体积也非常的大，此外这些信号发生器输出频率稳定度和精度都较差。DDS技术的出现为智能化、高精度和高稳定度的信号发生器的设计奠定了基础。DDS技术是一种全数字频率合成技术。它是利用一段数据链来通过数模转换而产生之前所确定的一个模拟信号，原因是它没有锁相环跟震荡元件的环节。为了能使显示出来的信号频率与它的转换速度为准确的，这就得需要将它的方法跟理论结合起来，才能确保它的功能正常工作。由上面的介绍让我们知道DDS技术具有许多优点：频率度较为稳定、产生出来的噪声相对低、提供的分辨率较

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高、转速也是比较快的。由于DDS技术所存在的诸多优点，使得各种专用和通信的DDS芯片制作出来，应用到实际的函数信号发生器之中，并在当前函数信号发生器领域占据着重要地位[2]。

任意波形发生器可以任意的在计数机上输出波形的情况，这都是由于它一些特别的功能而产生的。为了能完成本设计，我们将采用专门产生波形的工具产生波形，这样会使波形更加的稳定。

每次用编辑器产生的波形都有一定的区别，那这样对有些任意波形发生器的产生的波形会耗费相当长的人力跟时间。为了使波形在计算机上能够稳定的输出，并且能认真的分析思考，因此采用了随机存取的办法来实现任意波形，这样能更准确的计算跟思考波形的一些特征，而且能更有效的与一般的波形发生器进行对比。

1.2 课题设计要求

本课题首先研究的是任意波形发生器的基本原理与设计原理，熟练掌握单片机技术的应用。研究各种类型信号发生的原理及算法，研究DDS信号产生的特点及功能。并写出任意波形发生器的总体方案设计与论证。对DDS芯片及信号发生器系统组成的各部器件及芯片选择要很严格。输入模块、控制模块、频率合成模块及输出模块的设计，可选择单片机系统与DDS系统组合设计，借助相应的EDA设计软件进行完成。作总体系统电路设计及电路调试，提高波形发生器的精度和稳定性并使其具有实用价值。

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2 DDS技术的介绍

2.1 任意波形发生器的设计原理

本设计采用数字控制信号的相位增量的新型DDS技术，它具有好多优点，例如有较高的分辨率、良好的稳定性、可方便的产生较多的波形等。改变它之后输出的频率而采用的DDS技术提供每个周期的度数来完成的任意波形发生器。通过查表的方法来找出对应的相位点[3]。用较多的点来替换产生的波形，这也就是一种插值描点的方法，然后按顺序的显示出来，再通过找多对应的相位点用数模转化器把波形显示出来。想要显示你要的那个波形就必须通过低通滤波滤掉刚刚用数模转化器转化出的那个波形，这个过程也就是模数转换的一个逆过程，其方法也比较简单。我们可以改变数模转换器中的参考电压跟两个插值点之间的相位而去改变波形的幅值跟频率了。

本设计是基于单片机并运用了DDS芯片而一起完成的一个设计方法。想要获得你想要的任意的波形或者幅值，频率等，这就要用到单片机与之间的配合了。数模转换器的参考电压是DDS芯片产生合适的电压为基准，然后再由查表的方法，找出对应的相位点送到数模转换器中，产生对应的数值。通过查表的方法依次找出其一个周期后，再重头再来，然后输出下一个周期的波形。再由低通滤波处理经过D/A转换的信号，把一些干扰的波跟错误的插值频率处理掉，就能产生你所需要的任意波形了。

根据本设计的任务要求跟指导老师的要求，我就选择了下面的一些器件跟电脑软件来完成本设计。在硬件系统上我采用了主控制芯片是STC89C52的单片机跟AD9833的模块，以及DAC0832数模转换芯片，在软件上我就选择了Protel99sE来设计本任务的电路的原理图跟PCB图。接下来我就根据要求画出电路图跟PCB图，然后向学校申请一个实验室，之后进行手工焊制电路板[4]。

2.2 DDS技术内部的简介

2.2.1 频率合成技术

频率合成就是在以小段频率之中，它能产生多个频率输出点的工作，并且有一个相对准确的参考频率。根据频率合成的原理发明了频综，频率合成技术在现在这个时代发展是非常快的，它也代表了现代技术与以前技术的一个很大的飞跃，它已经成为电子信息技术之中的一个重要组成部分。许多电子产品都需要研究其内在的频率性

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能，在二十一世纪中它的发展也是尤为的重要。

2.2.2 频率合成技术的发展及分类

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在二十世纪三十年代的时候频率合成技术开始被发掘出来，之前的频率合成技术是由许多晶体来产生的，它的振荡器产生许多的频率点，然后输出出来。频率在实际中是与电路没有任何关系的，它一般是由人来完成切换的，而晶体是来决定它是否稳定跟准确的。之后为了降低花费的成本就产生了一个非相干合成法，这个方法还是相对的稳定的，它是利用少量的晶体却产生较多的频率，从而使它的发展很快。但发展到一个新的阶段，就会淘汰一些跟不上的技术，于是新的方法就脱颖而出了，它也延续了非相干合成法的一些优点，比如它的稳定性，花费的成本较少等，这就是专家们刚提出的相干合成法，并且它只要一个频率源，而且节约的成本会更少[5]。

直接频率合成就是第一种被人们称的相干合成法。直接频率的种类有分频、倍频、混频等。可以通过把参考的频率进行数学化的处理而得出你所需要的频率，这种方法就叫做直接频率合成的方法。不光只需要一个基准源，如果有很多的基准源也可以通过数学化的方法直接合成你所要的频率。虽然这个方法有许多的优点，可以完成我们所需的要求，但它也产生一些不必要的麻烦，它的缺点也是非常的多的，考虑到其的弊大于利，这种方法我们基本不会进行运用的。

既然有直接频率合成，那么从实物的客观性上知道，一定会出现一个间接频率合成的方法，间接频率合成其中也有好多的小分类，比如最重要的就是它的模拟间接频率合成。人类将锁相技术结合着相位反馈理论一同运用到了模拟间接频率合成技术中，并且取得了成功，开创了新一代的频率合成技术，它的重要部分是锁相环频率合成。数模混合的锁相环就代表着目前运用最多的合成方法，它的各部分是数字鉴相器、模拟环路滤波和压控振荡器以及分频器，由于组成方式多，也就造就了它具有的优点能高频率的输出，能抵制内部的排斥，产生较低的噪声等，因此在频率合成技术复杂的今天，它能继续占主导优势。现在的市场上性价比较高的频率合成器还是很多的，比如一些好公司，Motorola公司和Qualcomn公司等，产品有MC145191、Qualcomn、Q3236、LMX2325、LMX2326、LMX2330等。这些公司的生产，让我们有了更多的选择。

七十年代的时，我们已经步入了频率合成的第三个时代，那是因为直接数字合成DDS技术的诞生，它的诞生是来源于超大规模集成电路结合数字信号处理理论而形成

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的伟大的技术。也就在七十年代，DDS的概念被J.Tiemey和CM.Tader等人开始提出假象来:首先是利用数字方式累加相位来完成的相加和作为一个地址，然后再用刚刚那个地址通过正弦函数表的查询而得到正弦波幅度的离散数字的序列，之后通过数模转换器跟显示器输出来正弦波[6]。DDS具有众多优点，突出的优点有变频的速度快，频率连续性强等，也就因为这些优点使它在这短短几十年的时间里发展如此的迅速，我们现在还在运用它来作为一些电子产品的芯片。 2.2.3 频率合成技术的技术指标

频率合成技术其中包含了许多的指标，其中有的很重要，有的不重要，但由于其中的复杂性，因此它的这些指标功能方面中就突显出一些优点或者，接下来就向大家介绍下频率合成技术的一些指标以及指标的功能等。

频率范围:频率的波动范围是由频率合成而产生的，最小的合成频率fmin与最大的合成频率fmax来决定它的大小，合成之后的频率应该就在最大跟最小合成频率之间。也常用相对带宽来衡量频率范围。 ?f?fmax?fmin ?100% 式(2.1）

(fmax?fmin)/2分辨率：完成频率合成后产生两个相位点，其两点间的距离就是分辨率，分辨率与频率的合成还有很大的关系。

切换时间：从频率切换最先到结束之间能通过容许错误范畴的时间。它与频率合成的关系也非常的密切。

谐波抑制与杂散抑制：谐波抑制是指载波整数倍频率处单根谱线的功率与载波功率之比，而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比，它们表征了频率输出谱的纯度。频率源中的谐波和杂散主要由频率源中的非线性元件产生，也有频率源内外干扰的影响，还与频率合成的方式有关[7]。

长期频率稳定度：在一个规定的时间下频率源在规定的外界条件下，在一定的时间(年、月、日)内工作频率的相对变化，它与所选用的参考源的长期频率稳定度相同。

短期频率稳定度：主要指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏，即相位噪声。

2.3 DDS技术理论

用数字来控制信号的相位量的增加，使其转速变快，分辨率变高，稳定性好等特点而形成了DDS直接数字合成技术，由它的形成结构可知道其的一些特点就是形成

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后DDS直接数字合成技术的优点。它的方法就是使用一些点来描述这个波形，比如正弦波，先在规定时间间隔内取出一些点的坐标，然后通过数模转换，显示出大致波形，然后再通过滤波器修改波形，最后通过示波器显示出波形。其实这个过程就是模数转换的一个反向过程。大概掌握两个取值点之间的时间间隔，就可以控制此波形的频率跟周期了。

2.3.1 DDS设计原理和结构

用DAC转换器把一些数字信号转换成模拟信号的技术叫做DDS技术。从实际情况来看，DDS就是一个计数器，只是它的运行频率比较高。在计数进位时，我们也会再利用一位来记录进位的数字，并且设计一个清零跟复位。这个计数器要用来保存波形的一个周期存储设备，并用高阶位来寻址。随着高频时钟每转一格单位，之后计数器也会跟着转动一下，就会有个新的地址字出现在存储器里，显示出一个新的波形跟数据，DAC就会接受到这个波形的一些数据。最后DAC输出一个大体的波形，再由滤波器修改产生一个比较好的波形输出来。

如图2.1所示是DDS的一般构造。这个非线性函数y?sin(?t)可以表示为正弦信号的函数。开始应该选择一个函数y?sin(x)，然后再将这个函数进行数字量化，接着以x、y为地址跟数据，最后按循序的输入到波形存储器中合成一个正弦波。波形存储器中的地址是被DDS运用相位累加技术来控制的，在一个周期中，它最后的结果都是通过相位累加器把前一个相位的增量相加的。为了改变DDS最终的输出值就应该改变相位的增量，在输出频率周期中的稳定性就决定最终输出频率的稳定性。因为本设计中的波形是通过周期内取连续的点而完成的，所以它显示的波形是呈现星星点点的，而且不是一个连续的波形，这是必须通过波形滤波器来过滤掉一些不需要的错误波形，最后就能在示波器呈现出相对比较稳定的，不失真的正弦波[8]。

频率锁定 相位控制寄存器 参考频率 相位寄存器 相位幅度转换 D/A转换 频率输出 本科毕业设计说明书-（论文）

图2.1 DDS基本结构图

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如果累加器开始自动的进行进位时，说明DDS中的相位累加器计数应该大于2N，并且把2上面的N保存到累加器中。通过上面的框图跟介绍让我们知道周期时间和频率所控制的字对DDS的输出信号频率有着密切的关系。

K ?fclk 式(2.2）N21DDS最小频率分辨率是：?fmin?N?fclk 式(2.3）

2它们的关系是：f0?2.3.2 DDS技术的特点

DDS与传统的频率合成方式还是有很大的区别，虽然直接模拟频率合成和间接频率合成都同为DDS技术，它们之间还是有区别的，但有很多共同的特点:

（1）频率分辨率极高。 （2）频率捷变很快。

（3）具有较宽的输出相位带宽。 （4）变频相位连续。

（5）操作简单、实现容易、便于控制，还能很好的实现功能扩展。

显示出想要的任意波形，可以变化存储中表格的数据。这个设计可以任意调节控制主要由于它的周期跟频率可以自由的调节。如果再发展下去，我相信DDS芯片的作用会更加的大，可调节的东西更加的多，实现的功能也能越来越大。

（6）杂波抑制差。

DDS全数字结构带来了很多优点，DAC的位数与DDS的杂波抑制有着密切的关系。

（7）能较窄的输出带宽。

DDS的缺点是对器件速度的限制有反向的关系，受它的影响较大。

2.4 EDA技术

EDA技术研究在各个方面都有涉及。无论从低频、高频还是微波，从线性到非线性，从模拟到数字，还是从通用集成电路到专用集成电路构造的电子系统，因此EDA技术研究在市场上发展是如此的大[9]。

在电子设计技术领域中，PLD的灵活性应用到生活与生产中，对生活与生产都有很大的帮助。PLD是具有双重重构的，无论是软件编程还是硬件设计都可以进行完成工作，这也帮助了硬件设计更加的方便，就像软件一样操作方便，便于人们的生活，

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节省了一些工作。它改变了人们传统眼中的观念，认为软件会比硬件更容易，也改变传统的设计观念与方案。纵观可编程器件的发展史，EDA都为现代电子技术的发展奠定了基础。

EDA与现代的众多电子技术有密切的联系，它也是许多科学研究的一种基础，可以这么说，如果没有它好多科研是研究不起来的。它的发展是从上世纪九十年代开始出现的，如图2.2所示。

CAD CAM

CAT CAE EDA 图2.2 EDA发展框图

设计的人可以利用EDA了解到PLD的一些工作器件，然后通过软件来修饰硬件设备，最后得出结果。因为EDA的优点就是硬件可以当作跟软件一样，使用很方便[10]。现在电子技术发展势头正猛，EDA控制数字系统的技术也已经相当的熟练了，由于信息化发展过快，EDA的技术在市场上正争相恐后竞争中，这也是把双刃剑，优点是它的技术会变得越来越娴熟，对生活与生产都提供很大的帮助，缺点就是发展快，淘汰率变快，让人们不满足现状，总期待最新的产品，浪费了我们的钱财。

由于PLD的发展速度过快，也带动了EDA的发展，之使两者的关系更加的贴近。上世纪八十年代PLD器件产生，并且具有可编程的优点。PLD器件也为之后科学家提出新的构思奠定基础，从而科学家发明出了专用的IC，此产品的问世加快了市场产品开发的时间，也降低了成本。

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3 总体方案论证

通电对你所要信号进行测试的仪器就是信号发生器。

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按输出信号波形分成四类：正弦信号发生器、波形信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器。本系统使用专用的信号产生芯片AD9833来作为信号产生源，只需要使用单片机控制AD9833，本系统就可以产生所需要的信号波形和频率值。此外通过使用运放LM358，使得本系统的输出幅度可以进行手动调节。

3.1 系统方案

方案一：利用数模转换器转换由单片机函数发生器产生的波形，如正弦波、脉冲波等，操作简单，还能改变它的参考电压与频率，输出的频率也很稳定，能满足一般的需求。

方案二：运用了电子大赛上的方法，先用锁相环中的压控振荡器锁定到要输出的频率上，然后采用锁相式频率合成的方法来调节所需方案，但此方法有一些弊端，对所画的电路要求过于复杂，对较低频率信号产生较弱。

方案三：利用ADI公司下的AD9833芯片来完成这个电路要求的输出波形，它产生的波形都具有频率，周期及占空比等可调操作。它也能产生一些一般的波形，如三角波、方波、正弦波等。这个芯片产生的波形失真较小，实现波形相对稳定，便于实验室操作，能有效的通过调节电流、电压及电阻来控制它的频率与输出频率的宽度等优点。

方案四：为了能控制显示波形的频率与幅度就只能采用编程的方法了，而性价比最高的就是STC公司的STC89C52单片机。这个单片机可以忽略硬件上的一些确定，能通过软件编程的方法实现频率与波形形状的选择需求，最后能通过示波器显示出一个比较完美的波形。

由于方案一设计方案比较传统，现在这个社会的技术要求过高，所以方案一不适合。方案二由于它不能良好的处理低频率的信号，并且电路的要求也相当的复杂，因此也不能采用。剩下的方案三与方案四就可以结合起来，利用AD9833芯片完成我们想要的波形，再通过STC89C52单片机来实现软件与硬件上的结合，能完成一个频率

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等操作可调，硬件上能完美显示出波形，并于调节能同步操作，所以选择方案三与方案四，也只有这两个原器件的结合才能良好做出这个设计。而且这两个芯片性价比较高，在花费上还能减少一些开支，适合我们这些学生。

3.2 设计方案论证

在规定时间内，相位累加器以fCW?S的速率一步一步的累加，当它所加的部分超过了累加器进位的速度，那么输出的频率f0就是DDS。之后用输出的频率f0在已经更新好的DAC数据中进行查找，对应出表中的数据。通过对应点的数据再有数模转换器转换那些数据，显示出波形再通过滤波器输出频率fCW的波形了[11]。要求输出任意波形就得通过更新查表中的数据，把逐点对应的数据再通过上面的方法显示出来，就可以在显示器上看到任意波形了。由于f0是通过累加器的溢出来进位的，因此位数N在累加器中要满足2N?2?fCW?S，这也是重点注意的项目，相位累加器进位后它剩下的位数还要再次进行累加计算，只有这样才能使程序不错误。DDS原理的框架图如3.1所示。

参考时钟源 输出

频率控制字 相位累加器 波形查找表 DAC LPF 采样点数控制字 图3.1 DDS原理框架

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