1、 论论文格式要求样例论论文格式要求样例 导读： 多功能信号发生器多功能信号发生器所在院系：作 者：年 月 日多功能信号发生器单片机多功能信号发生器设计与制作摘 要直接数字频率合成（DDS）是一种重要的频率合成技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，在雷达及通信等领域有着广泛的应用前景。本文介绍了 DDS(直接数字频率合成) 的基本原理和工作特点，提出以 DDS 芯片 AD9850 芯片为核心利用 MSP430F169 单片机控制，辅以必要的 电路，构成一个输出波形稳定、精度较高的信号发生器。该信号发生器主要能产生标准的正弦波、方波与三角波(锯齿波)，方波可调占空比，输出单脉冲及双脉冲，可以实现信
2、号的调制，输出 PSK、ASK。软件系统采用菜单形式进行操作，LCD 液晶彩屏显示，操作方便明了，还增加了很多功能。关键词：AD9850；信号发生器； MSP430F169 单片机；ASK；PSK1 引 言信号源起激励作用，电路中的信号均由信号源所激励，由激励产生响应。高精度的信号源对通信系统、电子对抗及各种电子测量技术十分重要。随着电子技术的发展，对信号源的频率稳定度、准确度以及频谱纯度提出越来越高的要求。直接数字频率合成（DDS）技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。与传统的频率合成技术相比，它具有频率分辨高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化
3、、便于集成等突出优点，成为现代频率合成技术的佼佼者，越来越得到广泛的应用，成为众多系统中不可缺少的组成部分。对于信号调制，直接用电平发送容易收到干扰，而且效率也不高，我们只能用光电二极管来接收，抗干扰能力弱，如果调制，我们可以用高灵敏度的接收头，里面有载波检测电路，有抑制干扰的能力。所以作品用到了信号调制。1多功能信号发生器2 方案设计与论证2.1 总体方案描述整个系统由 MSP430F169 微控制器，液晶彩屏显示，触摸屏控制、信号产生等模块构成。整个系统上电后，单片机启动 DDS，对 LED进行初始化，预制完毕后向单片机发出一系列应答，接着单片机读取存储器数据，送至 LED 显示，然后进入
4、按键扫描中，有效触摸则单片机进行波形档位的切换，读取频率数据，然后送给已启动的DDS 信号芯片，输出相应的频率的波形。然后判断是否返回时处于等候状态。总体框图如图 2-1 所示。图 2-1 系统框图2.2 微处理器模块的比较与论证方案一：用单片机 MSP430F169 作为系统的主控核心。此单片机具有体积小，使用灵活的，易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能等优点。方案二：用 FPGA 等可编程器件作为控制模块。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，密度高，速度快，稳定性好等许多有点。FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行2多功能信号发生器一次配置，因此 FPGA 在应用中需
5、要配置电 3 4 5 论论文格式要求样例 导读： 路和一定的程序。并且 FPGA 作为数字逻辑器件，竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。在此系统中，采用单片机作为控制比采用 FPGA 实现更简便。基于综合性价比，确定选择方案一。2.3 信号产生模块的比较与论证方案一：使用集成函数发生器芯片集成函数芯片有 ICL8038 等。ICL8038 能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但是发挥部分要求正弦波以 1Hz 为步进增加，所以
6、用 ICL8038 不方便控制。方案二：直接数字频率合成（DDS）直接数字频率合成技术是根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在 EPROM 中构成一个正弦查询表。频率合成时，相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数，同时将累加器输出的累加相位与频率控制字 K 预置的相位增量相加，以相加后的吉果形成正弦查询表的地址；取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值，经 DA 转换器输出模拟信号，再经低通滤波器平滑得到符合要求的模拟信号。相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，在取样频率(由参
7、考时钟频率决定)不变的情况下，输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。目前有许多可用作信号发生器的专用 DDS 集成芯片，如 ADI 公司推出的 AD9850 其基本结构原理图如图 2-2 所示。图 2-2 AD9850 基本结构3多功能信号发生器综合比较以上方案，结合信号发生器产生的频率稳定度和精确度要求，我们选择 DDS 直接数字频率合成。一方面， DDS 较信号发生器更容易精确控制；另一方面，DDS 较锁相式频率合成外设少，更容易实现。正弦信号产生后，经高速比较器后产生频率相同的方波，调节参考电压可调占空比。方波产生后，经过积分电路，得到三角波(
8、锯齿波 )。所以选择用 AD9850 芯片的直接数字频率合成。2.4 输入控制模块比较与论证方案一：采用触摸液晶屏触摸屏在日常生活中随处可见，不管你是触摸电脑，还是触摸都离不开触摸屏的使用，而触摸屏因为有坚固耐用，反应速度快，节省空间，能够实现更加有效的人机互动等功能等诸多优点，为大众所接受。程序设计会有一些复杂。方案二：采用 44 键盘该键盘占用 8 个 I/O 口，并采用查询方法读取键盘，程序很容易实现，但按键不容易实现调频，在本系统中不方便控制信号发生器及输入参数。结合本系统，权衡两方案利弊，我们最后决定采用方案一作为输入控制模块。2.5 显示模块比较与论证方案一：采用普通 LED 显示
9、。其优点是元器件价格低廉，而且 电路简单。但是扫描要占用大量的 I/O 口资源， 3 4 5 论论文格式要求样例 导读：一个加法器本作品采用直接数字频率合成技术，使用 ADI 公司的集成 DDS 器件 AD9850。5 多功能信号发生器图 3-3 信号产生电路 2 图 3-2 信号产生电路 16 多功能信号发生器图 3-4 三角波仿真图 3.1.3 触摸屏输入电路电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。其主要部分是一块与显示器表面非常配合的 还增大了单片机的运算开销，显示的信息也不够丰富。方案二：采用 LCD 液晶彩屏显示。其优点是显示信息非常丰富，可以很形象的显示信号发生器的各个参数。同时颜色多样
10、，不会很单调。占用的 I/O 资源比较少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。鉴于本系统的扩展要求，我们采用 LCD 液晶作为我们的显示模块。同时写入彩屏程序，使其更生动直观。3 系统硬件、软件的实现3.1 硬件实现3.1.1 微处理器电路本作品用的 MSP430F169 最小系统电路如图 3-1 所示。43.1.2 信号产生电路可调占空比的方波，再经过一个积分电路，产生三角波。 能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。 的输出经外部低通滤波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波，这使得字幅度信息，每一个地址对应正弦波中 0360范围的一个相位点。查找表把输入地址的相位信息
11、映射成正弦波幅度信号，然后驱动 10 bit 的 DA 变换器，输出两个互补的电流，其幅度可通过外接电阻进行调节。AD9850 包括一个高速比较器，将 DA 变换器查找表的地址。正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表，它包含一个正弦波周期的数 AD9850 可以方便地用作时钟发生器。本作品还用到AD9850 内部的高速比较器，产生和一个 32 位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字（5 位）相加后作为正弦 AD9850 是AD 公司生产的最高时钟为 125 MHz、采用先进的 CMOS 技术的直接频率合成器，主要由可编程 DDS 系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器 3 部分构
12、成， 波形仿真效果图如图 3-4 所示。多功能信号发生器 图 3-1 微控制器电路图 三路输出切换用继电器，使得波形完整输出。电路图如图 3-2 和图 3-3 所示。 AD9850的 DDS 系统包括相位累加器和正弦查找表，其中相位累加器由一个加法器本作品采用直接数字频率合成技术，使用 ADI 公司的集成DDS 器件 AD9850。 5多功能信号发生器 图 3-3 信号产生电路 2 图 3-2 信号产生电路1 6多功能信号发生器图 3-4 三角波仿真图3.1.3 触摸屏输入电路电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。其主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻
13、璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明的金属氧化物(ITO)导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防划伤的塑料层(其内表面也涂有一层 ITO 涂层), 在他们之间有许多细小的（大约1/1000 英寸）透明间隔点把两层 ITO 导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通 Y 轴方向的 5V 均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行 A/D 转换，并将得到 3 4 5 论论文格式要求样例 导读： 的电压值与 5V 相比即可得触摸点的Y 轴坐标，同理得出 X 轴的坐标，再通过 MSP430F169 实
14、现。电路图如图 3-5 所示。3.1.4 触摸屏显示电路显像原理是将液晶材料置于两片贴附光轴垂直偏光板之透明导电玻璃间，液晶分子会依配向膜的细沟槽方向依序旋转排列，如果电场未形成，光线会顺利的从偏光板射入，依液晶分子旋转其行进方向，然后从另一边射出。如果在两片导电玻璃通电之后，两片玻璃间会造成电场，进而影响其间液晶分子的排列，使其分子棒进行扭转，光线便无法穿透，进而遮住光源。这样所得到光暗对比的现象，叫做扭转式向列场效应，简称 TNFE7多功能信号发生器（tatic field effect）。在电子产品中所用的液晶显示器，几乎都是用扭转式向列场效应原理所制成。图 3-5 触摸液晶显示电路图3
15、.1.5 AD 采样电路在 MSP430F195 单片机中利用其内部的模数转换器 ADC12 进行转换。ADC12 模块中由以下部分组成：输入的 16 路模拟开关,ADC 内部电压参考源，ADC12 内核，ADC 时钟源部分，采集与保持 /触发源部分，ADC 数据输出部分， ADC 控制寄存器等组成。ADC12 的模块内核是共用的，通过前端的模拟开关来分别完成采集输入。ADC12 是一个精度为 12 位的 ADC 内核，1 位非线性微粉误差，1 位非线性积分误差。内核在转换时会参用到两个参考基准电压，一个是参考相对的最大输入最大值，当模拟开关的开关输出的模拟量大于或等于最大值时 ADC 内核的
16、输出数字量为满量程，也就是 0xff；另一个则是最小值，当模拟开关输出的模拟变量小于或等于最大值时，ADC 内核输出的数字量为最低值，也就是 0x00。而这两个参考电压也是可以通过软件来编程设置的。而所采用的积分行电路的工作原理则是是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或频率( 脉冲频率) ，然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率。3.1.6 峰峰值检测电路峰峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路, 峰峰值检测器依据半波整流原理构成电路。交流电源在正半周的一段时间内, 通过二极管对电容充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC足够大，可以认为其输出的直流电压
17、数值上十分接近于交流电压的峰值。峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路，最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。交流电源在正半周的一段时间内，通过二极管对电容充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC 足够大，可以认为其输出的直流电压数值8多功能信号发生器上十分接近于交流电压的峰值。为了避免次级输入电阻的影响, 可在检测器的输出端加一级跟随器(高输入阻抗) 作为隔离级，同时可在检测器前加一级比较放大器，使其更直观。峰-峰值检测电路如图3-6 所示。图 3-6 峰- 峰值检测电路9 3 4 5 论论文格式要求样例 导读：单片机开发与 C 语言编程.北京航空航天大学出版社，(缺年份)石
18、雄等.DDS 芯片 AD9850 的工作原理及其与单片机的接口.国外电子元器件，2001 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京理工大学出版社，(缺年份) 高卫东等 .AD9850DDS 芯片信号源的研制.实验室研究与探索,2000.kjcxlab.张新喜等.Mu 多功能信号发生器3.2 软件实现系统以单片机为控制器，采用 C 语言对单片机进行编程。程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现，主要负责波形及参数，控制档位的切换和人机交互。而人机交互采用触摸彩屏输入，通过触摸彩屏可设置波形类型、频率等参数。其主要流程图如图 3-7 所示。Y图 3-7 主要流程图10多功能信号发生器4 系统测试4.1 主要测试用的仪器TDS1002 数字示波器； 自制电源；UT39A 数字万用表。4.2 指标测试结果各项指标如表 4-1 所示。表 4-1 测试结果11多功能信号发生器
