基于STC单片机的正交扫频信号源设计 - 图文

本科毕业论文(设计)

题目： 基于STC单片机的正交扫频信号源设计

学院： 物理与电子科学学院

班级：

姓名：

指导教师： 杨建秀 职称： 助教

完成日期： 2014 年 5 月 25 日

基于STC单片机的正交扫频信号源设计

摘要：本论文利用先进的DDS频率合成技术产生一种高效的符合实验要求的信

号源，通过选用STC89C52RC单片机控制两片AD9850信号源模块的运行，对单片机进行编程，产生一种正、余弦相互正交的信号源；并且频率可在一定范围内扫频，扫频的范围可以自行调节，可大可小，只要在程序中置换扫频范围即可，但受模块性能影响，在正常范围内是可以实现的；扫频的步进幅度也可自行设计，达到快速、慢速扫频的效果，最终设计生成一种频率可步进的正交信号源，在示波器上可以观察到实验结果。

关键词：单片机；AD9850；正交扫频信号源

目 录

1. 引言 .............................................................. 1 1.1 研究背景 ....................................................... 1 1.1.1 STC89C52RC单片机简介 ..................................... 1 1.1.2 AD9850芯片简介 ............................................ 2 1.2 单片机的控制原理 ............................................... 2 1.3 AD9850的应用 ................................................. 3 1.4 本课题的目的和研究任务 ......................................... 3 2. 频率可步进的正交扫频信号源设计方案的选择 .......................... 3 2.1 系统设计 ....................................................... 4 2.2 模块设计 ....................................................... 4 2.2.1 控制模块 ................................................... 4 2.2.2 信号源模块 ................................................. 5 2.2.3 检测模块 ................................................... 5 3. 设计内容 .......................................................... 5 3.1 程序设计 ....................................................... 6 3.2 整体思路设计及原理图 ........................................... 6 4. 系统的调试 ........................................................ 7 4.2 硬件系统的调试 ................................................. 8 4.3 实验结果 ....................................................... 8 5. 结束语 ............................................................ 9 参考文献 ............................................................ 10

1. 引言

随着电子工业的快速发展，我们的日常生活与电子信息工业密切相关。电子工业的发展已是不可逆转的时代潮流。本课题设计的信号源有2个显著特点：正交、扫频，采用单片机来实现电路的控制功能。在当今世界，变化迅速，科学技术的发展，必然对一切都提出更高的要求。普通的信号发生器即将退出电子技术领域的舞台，生产调试所需是像DSP技术一样的新兴技术—DDS，同DSP一样也是一种数字化技术。较以往的频率合成器，它们不仅仅是经济和节约，而且精确度高，正是DDS技术的一系列优点，使得各国都在不断的研发和生产各自的DDS芯片。目前在雷达、通信等其他领域也占有一席之地。 1.1 研究背景

DDS芯片是一种频率合成器，采用全数字频率合成技术。芯片结构有相位累加器、低通滤波器和D/A转换器等。一旦给定时钟频率，频率控制字就决定了输出信号的频率。所以DDS技术的优点使的从1980年开始每个国家都在开发和研制各自的DDS产品。例如，本课题上所用的AD9850就是AD公司的DDS芯片，DDS不仅作为高效的频率源，而且也出现在核磁谐振频谱学及其成像，仪表检查等。 1.1.1 STC89C52RC单片机简介

STC89C52RC单片机是一款比较实用的单片机，这是由宏晶科技公司生产的。首先它使用的指令代码与8051单片机使用的是可以融合的，并且它还拥有12时钟/机器周期和6时钟/机器周期，还可以在这两种周期中随意选择。此外，它有定时器/计数器0和定时器/计数器1，还增加了一个控制和状态分别位于T2CON和T2MOD定时器/计数器2。如下，图1是引脚图，图2是实物图[1]。

图1 STC89C52RC引脚图

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单片机如今有丰富的种类，不同的单片机有不同的样式与引脚图。正确了解所用单片机的引脚图以及实物图对实验的正确连线是有帮助的。

图2 STC89C52RC实物图

1.1.2 AD9850芯片简介

AD9850芯片有三大部分作为核心组成。第一部分是DDS系统，可以实现编程；第二部分是高速比较器，将输入的信息与正弦查询表作比较；第三部分是DAC（高性能模拟到数字转换器），用于将数字信号变换成模拟正弦波输出。125 MHz是其能够达到的最高时钟频率，在此时钟下可以输出0.0291 Hz的频率分辨率。因为它有32位用来控制频率，此外还具有5位用来控制相位，故相位增量可以自由组合。再加上1位控制电源休眠，还有2位控制工作方式，一共是40位控制字。只要外界将时钟源接到芯片的时钟引脚，写入正确的控制字，就能够输出模拟的正弦波。并且波的两大重要因素：频率和相位，还可以编程控制。我们知道CMOS工艺是一种非常节能的工艺，本芯片就采用了这种工艺，所以功耗低。它的外形封装形式是28引脚状的。

图3 AD9850芯片引脚图

1.2 单片机的控制原理

单片机最核心的部分就是晶振，当为单片机提供一个时间标准，晶振每震动

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一下，单片机就会执行一条指令，控制原理当然就是用高低电平了，高电平5伏，低电平0伏，外围连接设备就可以工作了。我们需要把程序烧到单片机里，实现以单片机为核心控制器件，控制AD9850以输出我们需要的信号波。单片机要和其他外部设备、计算机之间互换信息时，通常不是选择并行方式就是串行方式。两种方法都各有利弊，要在符合自身利益的前提下，选用一种高效、经济的方式。并行通信因为是数据的所有位同时传送，自然速度提升了，但是缺点就是传输线的数量与数据位数成正比，位数一旦比较多，且是远距离传送时就不宜选用的。另一个串行方式，虽然数据一位一位的传送，但这就保证了它能够节省传输线资源，而且方便控制，当然速度无法与并行方式相比，适用于短距离传输。至于利用串行口还是并行口，可以由我们在程序中自行实现。本实验中当然两种方式皆可考虑，但是综合考虑，我们在程序中编程实现了串行的方法。因为考虑到此次进行的课题研究是关于高频方面的，模块上的贴片电容、电感易受周围的各种干扰；此外由于模块体积很小，选取并行模式进行工作的话，会需要很多连线，容易分辨不清从而出错，而且是近距离传输。所以我们选取了串行模式工作[3]。 1.3 AD9850的应用

AD9850芯片是一种高集成芯片，核心技术采用的是DDS技术，因为DDS一系列优点，所以其已经成为现代通信电子设备频率源的首选技术。现代社会短波通信依然在军事和海事通信中有着举足轻重的重要性，长期以来得到很多国家的高度重视。目前，它仍是军事通信和海事通信中必不可少的手段。而以前的短波通信多以模拟设备为主，然而这种系统的本身的缺陷与不足越来越无法满足现代社会对短波通信的性能要求。数字技术的发展，使得一些智能器件综合了各种数字技术，因而在短波通信中受到广泛推广。因此AD9850就在短波数字接收机等等中也得到了应用。它不仅能产生 直流信号也可以产生宽的频率信号，所以从诞生之日起，就在市场上供不应求，广泛用在雷达系统和低功耗频率源中。 1.4 本课题的目的和研究任务

设计要求：正确编程达到要求，并将程序烧到单片机之中；正确利用杜邦线连接，在示波器上应能检测到所需要的信号源。

设计目的：通过本次毕业设计的过程了解AD9850芯片的设计原理，了解前卫的DDS技术，以及现代电子设备的频率源知识。 2. 频率可步进的正交扫频信号源设计方案的选择

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实现本课题所要生成的信号，事实上在现在这个琳琅满目、丰富多彩的电子世界是不足为奇，也是方法众多的。但是如何选择设计一种结果良好、符合经济效益的方案显得尤为重要。所以我们要自上而下的统观全局，不仅要设计出系统框图，给人以直观印象，更在此基础上进行详细的细节设计，最终实现实验结果。 2.1 系统设计

系统设计要做到自下而上，统观全局，从总体结构进行设计，而后再进行细化。本课题的总体结构概括起来是三个环节的模块。对各个模块选择以及设计完毕，模块之间既是连线相接，最终通电供于系统。下图既是本课题产生的正交扫频信号源的系统框图。

电源 AD9850（1） 单片机示波器 AD98 50（2） 图4 系统方框图 2.2 模块设计

本课题有三个模块需要设计，第一是控制模块，用来选择系统的核心器件去控制系统的运行；第二是信号源模块，信号源模块的选择尤为重要，选择不同的信号源直接关系到产生结果的稳定性以及对实验环境的要求；第三是检测模块，选择一种好的检测设备可以清楚的判别实验结果的实现与否，以及实验结果的效果。以下是本课题设计到的三个模块环节的选择方案。 2.2.1 控制模块

方案1：采用FPGA、CPLD作为控制器，FPGA、CPLD适合作为大规模系统的控制核心，因为它有很多单片机达不到的高速度，而且输出信号的稳定性高，I/O资源丰富，对它进行功能拓展十分方便。此外，IN/OUT皆采用并行方式工作，提高了系统的处理速度。另外，它们还具有体积小、密度高、规模大等优点，但是其处理数据的能力远不如单片机了。本课题所进行的实验研究是小系统，并且运行速度不是很快，不需要昂贵的FPGA、CPLD。

方案2：采用STC89C52RC单片机作为控制器，因为此类控制器的价格低廉，需要的外接电路简单，编程语言简易且丰富，使用汇编语言或者我们熟悉的C语

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言都是可以的，且易操作，作为小规模控制系统的控制中心和在一定的工作速度要求下，选取单片机是不错的选择[4]。 2.2.2 信号源模块

方案1：AD9854、AD9851也是数字频率合成器芯片，AD9854是Analog Device公司近来推出的一款性价比很高的DDS芯片，由单一的3.3V电源就可以提供高性能，能在五种模式下工作，可产生300MHz的系统时钟，具有革新的DDS结构，产生高稳定的方波输出，且具有简化的控制接口；AD9851与AD9850在引脚布局上大致相似，前者还拥有6倍频参考时钟，可以达到180MHz的时钟频率。

方案2：本实验所使用的单片机晶振是12MHz，所以芯片的输入时钟频率不会太大，一定达不到其最大工作频率─125MHz。况且AD9850相对可靠，不要求于时钟波形，具有一定的使用价值，并且输出信号在稳定性、信噪比、分辨率、失真度上都可以达到实验所要达到的要求。也不需要AD9854、AD9851的高时钟频率，更为重要的是，这样的高频率单片机的晶振是无法满足要求的。综上分析，信号源模块选择AD9850为芯片更为合适[5]。 2.2.3 检测模块

方案：对于现代社会层出不穷的各种检测设备，虽然在性能、功能上达到了几乎登峰造极，琳琅满目的境界，但是无不是价格高昂，让学习者望而却步。所以我选择了常见的易操作的双踪道示波器。因为我们需要产生正交信号，即同时产生频率相同的正弦、余弦信号，所以要在示波器上同时观察这两路信号，所以我们开通双踪道来同时跟踪这两路信号，将这两路信号同时显示在示波器上。采用示波器静止功能，可以观察到我们运行并在扫频中运动的信号在具体某一时刻的真实波形。可以在实验结果中看到这是两路几乎一样的信号，在同一时刻相位是反相的。尽管有一丝偏差，那是正常的两路信号的高频干扰等其他一些误差干扰，还可以看到两路信号的幅值及扫频的频率变化范围[6]。 3. 设计内容

在实验之前，我们已经清楚的选择了三个模块，并作出了有益于实验课题，并且在符合要求的情况下，选择了经济合理的模块。之后的内容就是进行正确的程序设计，达到所需信号要求，之后进行整体设计。搞清楚芯片以及模块的引脚原理图进行正确的接线，对此信号源模块AD9850核心仍然是内部芯片，其余的外围电路包含的电容、电感、电阻等等这些贴片器件仅仅是为了满足在高频率芯片工作的环境下，应该为高频工作提供的环境。

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3.1 程序设计 本课题的主函数：

void main(void) //入口函数 {ad9850_reset();

ad9850_wr1(0x00,1000000); ad9850_wr2(0x40,1000000); frequence=1000000; while(1)

{ for(frequence =1000000;frequence<20000000; )

{ad9850_wr1(0x00,frequence); ad9850_wr2(0x40,frequence); frequence+=100000; DelayMS(2); }

frequence=1000000; } }

3.2 整体思路设计及原理图

整体思路设计：

本系统采用单片机作为主控制器，两片AD9850芯片作为主信号发生器产生正交扫频信号,一片产生正弦信号；另一片产生反相，即移向90°产生余弦信号，信号的频率范围及步进是完全相同的。只要将两片AD9850的时钟信号同时连到单片机的不同引脚，而频率信号、输出引脚、rest接到单片机的同一位置，这样两片芯片就可以几乎同步的输出信号，相同的频率更新引脚可以使两路信号同时更新。本系统除了可以产生正弦波，事实上还可以产生方形波，经过微分器就可以实现三角波。当然如果要实现这样的波，需要添加外围的电路。本课题只研究我们常用和常见的正弦、余弦波。因为在学习信号这门课程中，我们知道任意一种信号都可以分解成正、余弦这两个基本信号。这样我们实验课题研究的信号就在现实生活中有了意义，有了实用价值。两片芯片产生的两路信号同时扫频，同时出现在双踪示波器上。关键在于选择串行还是并行工作方式，因为这就决定了连线的方式。将编好的程序烧到单片机内部，给单片机供电，连接好两个AD9850信号源

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模块，再将模块的串行输出端口连接到双踪示波器上，在示波器上就可以观察到本课题所需要的波形。在此，需要对本课题的最终实验结果做出一点小的说明，我们所涉及的信号源是非常灵活的，我们扫频的范围不是一成不变的，只要在系统允许的性能下，在程序中的相关环节只需要修改数字即可。同时，我们在一定频率范围内，频率是1000Hz的增加扫频还是2000Hz的递增扫频，都仅仅是修改一个数字而已[7]。下图是本课题的原理图：

图5 原理图

4. 系统的调试

要想本系统能够正确的工作运行，并产生正确的实验结果，我们需要事先在系统工作前进行相关的硬件调试和软件调试。以下是进行硬件、软件调试的相关步骤。

4.1 软件系统的调试

为了使我们写的代码可以正确的执行，我们需要对其进行单片机的软件调试，

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这样将我们用C语言完成的程序翻译成汇编语言，即一条条指令，从中可以看到一些程序中变量的数值变化。甚至如果我们对某段程序不太熟悉，也不清楚它如何运行，也可以通过调试，查看执行过程，进而了解程序是如何实现的，一般对单片机进行软件调试，常用的有Keil软件[8]。 4.2 硬件系统的调试

1、首先，把用到的元器件的型号进行检查，以防出错。静态检查就是硬件电路不要出错，例如单片机插在实验箱上的方向是否正确。可以使用万用表等工具检查硬件电路的连接是否和已有的电路图一致，是否存在短路、虚焊现象。如果单片机在实验箱上的位置放反了，实验是无法成功的，还可以检查三线；

2、其次,对该系统通电，进行检测。检查电路板上的元器件是否存在冒烟儿、异味、过热的情况。各个设备的操作是否符合要求。单片机当完成硬件以及软件调试后，就可以进行正常的工作了[9]。 4.3 实验结果

图6实验结果之扫频图

图7实验结果之静止图

图8双踪道示波器

以下是本实验课题的具体的连线图，以及我们所选用的AD9850模块图和具

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体的控制器STC单片机芯片实物图。可以看到在实验箱上如果单片机坐落位置是双排针插脚，对我们本课题的串行方式连线，两片信号源模块共享的单片机引脚是非常方便的。

图9 实物连接图

图10 AD9850模块图

图11 双排针

5. 结束语

通过对本课题的研究和设计以及实验结果的分析，充分说明了DDS频率合成技术的先进与方便，AD9850芯片尽管满足了本课题实验结果的要求，但是在性能以及生成信号的稳定性上远远不如更先进的AD9854等。在控制模块中，我们选择了简单、方便且易操作的单片机作为核心控制芯片，但是如果在大型规模控制或是高性能、高速率的要求下，掌握好对FPGA、CPLD是更好的选择。总之，我们应该追求更加先进、卓越的前端器件、芯片、技术达到更加完美的实验结果。从

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实验结果我们可以清楚的看到，我们所选的实验硬件设备是可以达到我们所需要的要求的，实验结果的稳定性、准确性已经可以满足我们对正交扫频信号的要求。作为一个电子专业的学生，我们应该时刻关注电子世界发生的变化，对每一次新的革命，不仅仅是学习效仿应用，更重要的是能在应用中推陈出新，在服务我们自身的基础上，争取引领新的潮流，创造新的革命。 参考文献

[1] 徐爱钧.单片机原理实用教程［M］.第二版.北京：电子工业出版社，2011. [2] 高西全，丁玉美.数字信号处理［M］.第三版.西安电子科技大学出版社，2008. [3] 肖洪兵.跟我学用单片机.北京：北京航空航天大学出版社,2002-8.

[4] 何立民.单片机高级教程［M］.第一版.北京：北京航空航天大学出版社，2007. [5] 赵晓安.MCS-51单片机原理及应用［M］.天津：天津大学出版社，2001-3. [6] 李广第.单片机基础［M］.第一版.北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[7] 徐惠民，安得宁.单片微型计算机原理接口与应用［M］.第一版.北京：北京邮电大学 出版社，1996.

[8] 夏继强.单片机实验与实践教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001. [9] Behzad Razavi.Design of Analog CMOS Integrated Circuits[M].2001 .

[10] George Lee,Karina Ng,Edmond Kwang.Design of ring oscillator based voltage controlled

oscillator.Project Final Report[R] .2005.

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Orthogonal Sweeping Frequency Signal Source Design is

Based on STC SCM

Abstract:This thesis is how to produce a high-frequency and to meet all the

requirements signal source by using the advanced dds frequency synthesizer technology.The lssue selects STC89C52RC SCM to control two AD9850 source modules working .And we should program the SCM which we used,to produce a signal source with sine and cosine mutually orthogonal.The signal source’frequency can sweep within certain range, which we can change easily,wide or narrow .Only we transform the frequency range in the program. But this function will be affected by the source module’ quality.If we set the range in normal range ,the increase margin with the sweeping frequency also can be designed,to reach fast or slow effect.The final design generates a signal source that meet all the above requirements and we could see it in the oscilloscope.

Key words:scm; ad9850; quadrature sweeping frequency signal source

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/sp1d.html