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下面是設(shè)計(jì)報(bào)告預(yù)覽:
一、方案設(shè)計(jì)與論證 本設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字頻率合成。單片機(jī)從鍵盤獲得控制信息,控制兩路DDS芯片AD9850產(chǎn)生的兩路設(shè)定頻率的正弦波和方波。輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)整后輸入AD7524可以在單片機(jī)的控制下完成對(duì)信號(hào)的程控誤差。從DDS模塊輸出的兩路信號(hào)經(jīng)過低通濾波和直流偏置將兩路信號(hào)輸入模擬乘法器AD835,一路作為載波,一路作為調(diào)制波,從AD835產(chǎn)生調(diào)制波。同時(shí)可以將DDS信號(hào)輸入到CD4046B芯片進(jìn)行振蕩輸出調(diào)頻信號(hào)。 方案選擇 1、信號(hào)發(fā)生部分 方案一:采用單片壓控函數(shù)發(fā)生器,如MAX038。MAX038可以方便地產(chǎn)生頻率(0.1Hz~20MHz)可變的正弦波、方波、三角波及實(shí)現(xiàn)數(shù)控頻率調(diào)整。但是,其輸出頻率的穩(wěn)定度低,頻率的步長(zhǎng)控制難以達(dá)到理想的結(jié)果。 方案二:采用DDS波形發(fā)生技術(shù),采用FPGA和單片機(jī)相結(jié)和的方式實(shí)現(xiàn)頻率控制,由于本信號(hào)源只產(chǎn)生三種常見波形,不需要大規(guī)模的FPGA。 方案三:采用專用的DDS芯片,因?yàn)锳D9850可以直接產(chǎn)生正弦波等常見波形用單片機(jī)的控制字可以方便地進(jìn)行控制輸出不同的波形,故本方案采用DDS專用芯片AD9850來實(shí)現(xiàn)。 2、信號(hào)放大部分 方案一:采用分立器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,此方法制作復(fù)雜,且干擾較大 方案二:采用運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,要改變放大倍數(shù)時(shí),則可以采用外部電位器阻值的方式,因此可以得到可以調(diào)節(jié)的增益。在溫度和電源電壓變化時(shí)有很高的穩(wěn)定性,完全可以滿足本方案的要求。綜合考慮本系統(tǒng)的精度要求,選擇方案2。 3、模擬FM電路的設(shè)計(jì) 方案1:使用變?nèi)荻䴓O管和適當(dāng)?shù)碾姀S構(gòu)成VCO電路。變?nèi)荻䴓O管通過改變外加反向電壓可以改變電容的大小,從而改變VCO輸出的信號(hào)頻率。 方案2:采用鎖相環(huán)器件,直接對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行相位比較,外部電路簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便。最終選擇方案2。 4、輸入控制部分 方案一:獨(dú)立按鍵控制,制作簡(jiǎn)單,編程易于實(shí)現(xiàn),但占用單片機(jī)I/O口較多。 方案二:矩陣4*4鍵盤,采用行列掃描的方式,最少要占用8個(gè)I/O口。 方案三:紅外遙控解碼控制,采用紅外一體化接收頭,制作簡(jiǎn)單,僅占用一個(gè)I/O口。在本設(shè)計(jì)中控制端較多,綜合考慮采用方案三。 5、顯示部分 方案一:數(shù)碼管顯示,由于本題要求實(shí)時(shí)顯示輸出信號(hào)的類型、幅度、頻率和頻率步進(jìn)值等,而數(shù)碼管不能顯示字符。 方案二:LED點(diǎn)陣顯示,LED點(diǎn)陣顯示雖然能顯示字符和數(shù)字,但顯示效果不好,且不易編程。 方案三:LCD液晶顯示,LCD液晶不但能顯示字符和數(shù)字,而且顯示效果較好,容易編程實(shí)現(xiàn)。 根據(jù)題目的要求,經(jīng)過仔細(xì)分析,充分考慮各種因素,制定了整體設(shè)計(jì)方案:以單片機(jī)STC89C52為核心,完成四方面的功能:采用DDS專用芯片AD9850產(chǎn)生正弦波和方波,高帶DA轉(zhuǎn)換器AD7524控制AM調(diào)制度,接收紅外遙控的控制碼,同進(jìn)LCD液晶顯示所有數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)如圖1-1所示。
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圖1-1 二、理論分析、計(jì)算與各模塊設(shè)計(jì) (1)DDS波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) DDS基本原理:正弦波形一個(gè)周期離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存于ROM(或RAM)中,按一定的地址間隔(相位增量)讀出,由D/A轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號(hào),經(jīng)過低通濾波,濾除D/A帶來的小臺(tái)階和數(shù)字電路產(chǎn)生的毛刺,即可獲得所需要的正弦信號(hào)。AD9850可以產(chǎn)生正弦波、方波。AD9834內(nèi)部的相位累加器的字寬為32位,SIN函數(shù)表有4096樣點(diǎn)值,因此32位的相位累加器輸出僅截取12位用于查表。其內(nèi)部原理框圖如下:
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圖2-1 AD9850內(nèi)部原理框圖 AD9850參數(shù): 最高參考時(shí)鐘為125MHz,輸出頻率分辨率可達(dá)0.0291Hz,允許產(chǎn)生最高輸出頻率62.5MHz。芯片內(nèi)部提供5bits數(shù)字控制相位調(diào)制,
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輸出的相位變化增量可為 AD9850有32位相位累加器,而ROM為14位,將32位累加器的輸出截高位的14位輸入正弦(ROM)查詢表,從查詢表輸出給D/A。D/A的輸出是兩個(gè)互補(bǔ)的模擬電流,在12腳處接一個(gè)電阻Rset,使?jié)M量程輸出為10~20mA電流,經(jīng)過濾波器輸出正弦波。 AD9850主要引腳說明: 1、(D0~D7):8bit數(shù)據(jù)輸入端。用于下載32bit頻率調(diào)節(jié)字和8bit相位控制字。 2、(W-CLK):字裝載時(shí)鐘,用于裝載并行或串行的頻率/相位/控制字 3、(RSET):DAC外接電阻,該電阻決定DAC輸出電流的最大值。對(duì)于典型應(yīng)用(IOUTmax=10mA)時(shí),RSET的值為3.9kΩ,另一端連接到地線。外接電阻RSET與DAC輸出電流 IOUT的關(guān)系為
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輸出信號(hào)頻率、參考時(shí)鐘、頻率控制碼之間的關(guān)系
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控制字
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輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘頻率(MHz)。 電路原理圖如圖2-2所示:
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圖2-2 DDS波形產(chǎn)生電路 (2)程控衰減電路設(shè)計(jì) 程控衰減電路由D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7524構(gòu)成,主要利用此D/A芯片的可程控電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成基于AD7524構(gòu)成的程控衰減器,而在其輸出端得到幅度可控的正弦波。由AD7524的8位數(shù)據(jù)輸入端進(jìn)行控制,可實(shí)現(xiàn)1~1/56級(jí)衰減。其相關(guān)電路如圖2-3所示:
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圖2-3 程控衰減電路 (3)模擬AM電路設(shè)計(jì) 該電路選用AD835作為乘法器,將載波和調(diào)制信號(hào)相乘得AM信號(hào),其兩路輸入信號(hào)幅值可達(dá)到-1V—+1V,對(duì)噪聲可形成較強(qiáng)的抑制能力。另外,普通雙邊帶調(diào)制需要調(diào)制信號(hào)疊加直流成分,因此調(diào)制信號(hào)在輸入到乘法器前需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路為調(diào)制信號(hào)疊加適當(dāng)?shù)闹绷鳌S捎谇凹?jí)的調(diào)制信號(hào)是由程控衰減器輸出,所以在程控衰減器初始輸出的情況下,可以通過調(diào)節(jié)電平轉(zhuǎn)換電路的直流偏置,使模擬AM電路的初始輸出的調(diào)幅波形的調(diào)制度調(diào)整至1。這樣設(shè)置可以為之后的程控調(diào)制帶來方便。通過P8的跳線可以選擇調(diào)制波為方波,從面實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。其電路如圖所示。
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圖2-4 AM信號(hào)產(chǎn)生電路 (4)模擬FM電路的設(shè)計(jì) 頻率調(diào)頻信號(hào)的基本特點(diǎn)是它的瞬時(shí)頻率按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化,因而,一種最容易想到的方法是用調(diào)制信號(hào)直接控制振蕩器的振蕩頻率,使其不失真地反映調(diào)制信號(hào)的變化。通常將這種直接調(diào)變振蕩器頻率的方法稱為直接調(diào)頻法。本設(shè)計(jì)中,使用鎖相環(huán)集成電路CD4046內(nèi)部自帶的VCO產(chǎn)生FM波。通過P10 的跳線可以選擇方波為調(diào)制波,從而實(shí)現(xiàn)FSK。其電路如5所示。
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圖2-5 FM、FSK信號(hào)產(chǎn)生電路 (5)控制與顯示電路 輸入控制采用紅外遙控器控制,通過HS0038紅外一體化接收頭解碼、放大,將控制碼發(fā)送給單片機(jī),再由單片機(jī)控制DDS模塊、程控衰減模塊產(chǎn)生不同的波形。 顯示部分使用128*64點(diǎn)陣寬屏液晶,可以顯示不同模式下的頻率及波形,達(dá)到直觀、形象的效果。 此模塊如圖所示:
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圖2-6 控制與顯示電路 三、電路與程序設(shè)計(jì) 1、總體電路 總體電路圖見附錄1。 2、軟件設(shè)計(jì) 程序全部由C語言編寫,可實(shí)現(xiàn)波形類型的選擇、頻率檔位(低檔、高檔)電壓輸入、頻率步進(jìn)值和電壓步進(jìn)值的設(shè)定,顯示部分可實(shí)時(shí)顯示輸出信號(hào)的類型、幅度、頻率和頻率步進(jìn)值。主程序的流程如圖3-1所示。
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圖3-1 程序流程圖 四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 1、測(cè)試儀器 雙蹤示波器 TDS3012B 頻率計(jì) PD1631 2、測(cè)試數(shù)據(jù) (1)輸出波形頻率范圍測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示: 表1 由表可以看出,在頻率穩(wěn)定度方面,正弦波、三角波、方波在帶負(fù)載的情況下均十分穩(wěn)定,這正是DDS專用芯片AD9834的特點(diǎn)。 (2)輸出波形幅度范圍測(cè)試 表2 由表可見,在電壓穩(wěn)定度方面:電壓的絕對(duì)值和預(yù)置值之差,及帶載和不帶載的情況下輸出電壓均符合要求。 (3)幅度(VP-P)步進(jìn)值測(cè)量(測(cè)試對(duì)象:1KHz正弦波,單位:V,步進(jìn)值0.1V)
表3 由表可以看出,在步進(jìn)值的精確度方面,符合設(shè)計(jì)要求。 五、結(jié)論 我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)以STC89C52芯片為核心控制,通過可編程放大電路實(shí)現(xiàn)了正弦波、方波的輸出功能,其頻率步進(jìn)值和幅度步進(jìn)值達(dá)到了題目的設(shè)計(jì)要求。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中,力求硬件電路簡(jiǎn)單,充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn),并最大限度挖掘單片機(jī)的資源,來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因比賽時(shí)間有限,該系統(tǒng)還有許多值得改進(jìn)的地方。 六、參考文獻(xiàn): [1]劉建成,鄒應(yīng)全,行鴻彥.基于DDS的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì).現(xiàn)代電子技術(shù)2007 [2]劉春生,李小波. AD603在信號(hào)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用.國(guó)外電子元器件.2000(11) [3]胡煜.MAX038在精密頻率合成波形發(fā)生器中的應(yīng)用. 現(xiàn)代電子技術(shù)2007(1) [4]劉建成,鄒應(yīng)全,行鴻彥.基于DDS9850的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì). 2007(2) |