1498
引言
随着电子技术的迅猛发展，电子设备如雨后春笋般出现，给人们的生活各个方面都带来了极大的改善。在各个领域都有函数信号发生器的身影，广泛应用于通信、工业、农业、医学、科研、无线电等领域。随着各个行业逐渐提高了对信号源的要求[1]，信号发生器慢慢地难以满足人们的需求。
优质的信号发生器在实验研究中有着举足轻重的地位。在实验室中，许多实验都与信号发生器紧密相关。一次实验能否成功，与信号源的性能有着很大的联系。甚至在一些对信号源的要求较高的实验中，只要信号源有一点误差，就可能会导致整个实验产生很大的偏差，最终就可能造成这次实验得到不正确的结论，甚至导致需要重新开始实验。
因此，稳定的函数信号发生器非常符合基本的实验需求。目前广泛使用的是由数字电路构成的新型函数信号发生器，此类信号发生器精度可控，性能较于传统信号发生器更加稳定可靠。新型信号源采用DDS技术，通过控制电路对输出信号的频率、幅度等参数进行控制[2]。
随着集成电路的迅速发展，单片机的体积变小，功能增多，单片机的设计成本和生产成本更低，所以其应用范围变得更加广泛，一般功能的单片机已经能满足函数信号发生器基本的控制要求。在人机交互方面，新型信号发生器因为单片机的使用也变得更加简单高效。这种价格便宜、功能齐全、运算迅速的新型函数信号发生器，在实际应用中能产生更高的经济效益。
本文首先介绍了该课题的背景和研究内容，接着比较了各方案的优劣，提出信号发生器的总体设计方案，也介绍了DDS芯片的基本工作原理。继续依次介绍了系统的硬件电路设计和软件程序设计。最后，介绍了成品的调试过程和测试结果分析，并给出了结论和改进计划。
1 课题背景意义及研究内容
1.1 课题背景及研究意义
此次毕业设计的课题是《信号发生器的设计》，是工程设计类的课题。
当今社会，信息时代带来的全面飞速发展，强力地推动着各个领域的进步，尤其是电子设备。在实验中，总是伴随着参数测量的过程，而参考信号都由信号发生器来提供，是经常使用的仪器。
由于社会发展进程加快，许多实验对信号发生器的要求逐渐提高，不仅要求输出波形有较高的精度，还要求能输出多种波形，同时要避免复杂的操作，并且幅值和频率及占空比都要可以调节，还要求相位可调等功能。新型信号发生器既能符合不断提高的市场需求，还能减小经济成本。传统模拟信号发生器有着结构简单，输出频率范围宽的优点，但输出信号单一，且不稳定。当对信号要求较高时，就需要新型信号发生器，传统模拟信号发生器已经难以满足实验测试要求。
因此传统模拟信号发生器正在慢慢地退出历史舞台。而新型信号发生器具有精度高、稳定度高、相位可调等优越的性能，能够满足电子实验的高要求，因此飞速地发展着。
本次课题所设计的信号发生器，控制器使用的是单片机，用DDS芯片产生三种频率可调的波形信号，加入数字电位器和运算放大器来调节幅度。通过按键来设定输出信号的相关参数，并用LCD液晶屏显示。能以较少的经济支出，设计出满足基本的实验测试要求的信号发生器。
1.2 课题研究内容
设计要求：
（1）输出信号频率范围：10Hz-5MHz；
（2）输出信号幅值范围：0-10V；
（3）使用液晶屏显示信号种类、频率及幅度。
2 设计方案选择
2.1 系统控制芯片选择
方案一：使用STC89C52单片机作为控制芯片。该单片机是8位单片机，操作简单，外围硬件电路也简单，高速，功耗低，有较强的抗干扰能力，并且价格低，因此在市场上被广泛销售。编程方式十分灵活，程序可通过通信串口直接下载，程序调试也十分方便。能满足作为主控芯片的要求。
方案二：使用STM32系列微控制器，该系列是ARM Cortex-M内核的32位微控制器，外设功能一流。程序方面，厂家提供了丰富的函数库，能胜任更加繁重的工作。相较于52系列单片机，性能更加强大，但是，成本更高，电路设计和操作更复杂，编程的难度也更大，性价比也不高。
综合以上方案，考虑到器件成本和开发难度以及性能问题，对于本课题而言，STC89C52单片机已经能够满足作为主控芯片的要求。因此，控制芯片选择为STC89C52单片机。
2.2 信号发生方式选择
方案一：由分立元器件搭建而成的函数信号发生器，一般是单信号发生器，频率较低，工作起来也不稳定，且难以调试。
方案二：由集成芯片构成的函数信号发生器，可产生较多类型的信号，频率较高，也易于调试。例如MAX038芯片，精度好，但是输出信号也难以达到很高的频率。
方案三：由DDS芯片构成的函数信号发生器，可生成多种类型的波形信号，通过程序控制频率的方式也十分灵活，频率上限高，产生的波形信号不失真，有较高的精度，但成本相对较高。
综合以上方案，使用DDS芯片来产生信号是最好的选择，用单片机控制DDS芯片也较为方便，因此选择DSS芯片来生成信号。
2.3 系统整体设计方案
综上所诉，系统整体设计方案最终确定为：以STC89C52单片机为系统主控芯片，使用DDS芯片来生成信号，以独立按键和LCD1602液晶显示屏来做人机交互，调节信号频率和幅度及显示相关参数。整体硬件电路设计共5个模块：单片机最小系统、DDS信号发生模块、电源模块、功能按键模块、液晶显示模块。其中最小系统主要包括STC89C52单片机、晶振电路、复位电路和下载口等部分，处理按键输入和发送控制指令及数据；DDS信号发生模块有AD9833芯片、有源晶振、数字电位器、运算放大器等部件，能产生设定频率和幅度的信号；电源模块由滤波电容、自锁开关和LED指示灯组成，能提供5V直流电，供电给各模块；功能按键模块由5个独立按键组成，负责调节信号频率和幅度以及信号波形种类；液晶显示模块由LCD1602显示屏和可调
组成，能显示相关的参数信息。总体系统框图如图2-1所示。
3 系统硬件设计
3.1 单片机最小系统
3.1.1单片机STC89C52
STC89C52系列单片机是国产的单片机，高速，功耗较低，抗干扰能力也很强，性能稳定，价格便宜，有着相当广泛的应用。
该单片机共有四组准双向I/O口，分别是P1、P2、P3、P4。MCU包含8KB程序存储器（Flash）、512字节数据存储器（SRAM）、3个定时器/计数器、8个中断源。
3.1.2单片机最小系统
单片机最小系统由单片机、晶振电路、复位电路、下载口组成，其中使用的单片机是STC89C52，该单片机是8位的，能提供简单、灵活、有效的解决途径给较复杂的控制应用系统。
晶振电路由一个12MHz晶振和两个30pF瓷片电容组成。晶振并联在单片机的18脚与19脚，再分别串联一个瓷片电容接到地端就构成了晶振电路。电容的主要作用是使晶振更加容易起振，称为谐振电容[3]。单片机STC89C52工作所需要的稳定时钟是由此电路提供的。
MCS-51单片机通常采用上电复位和按键复位这两种复位方式[4]。复位电路是由一个10μF电解电容和一个4.7KΩ电阻及一个按键组成的。在单片机的RST复位引脚串联一个电容至电源端，再串联一个电阻接到地端，接着把一个按键并联在电容两端，这样复位电路就连接好了。52单片机的复位引脚RST只要能维持24个时钟周期的高电平信号即可完成复位。此电路使STC89C52单片机开机自动复位和按下按键手动复位。
3.2 DDS信号发生模块
DDS信号发生模块的组成主要有AD9833芯片和MCP41010数字电位器以及AD8065运算放大器。
3.2.1AD9833芯片介绍
AD9833芯片是一种可通过程序控制的DDS芯片，需要由外部晶振来提供工作时钟，能够输出的波形信号有正弦波信号、三角波信号和方波信号[5]。可通过程序来调节输出波形信号的频率，十分方便。通过串行接口将数据写入AD9833芯片，该串行接口能与微控制器接口标准兼容[6]。
3.2.2AD9833芯片工作原理
正弦波信号一般是用幅度来表示，即 。由于正弦波曲线不是线性的，除非一段一段地生成，否则很难构建。但是，正弦波相位角度的变化是线性的。也就是说，在单位时间内，正弦波相位角度的变化量是一个固定不变的值。角速率跟信号频率之间存在一定的数学关系，即 。正弦波波形和相位关系如图3-2所示。
已知正弦波的相位变化是线性的[7]，在确定了时间间隔的情况下，就可以确定该时间间隔内的相位变化情况。
由 ，可导出 ，再导出 。再将时间间隔替换为时钟频率，即 ，最后导出 ，AD9833根据这个简单公式来构建输出信号频率。
3.2.3AD9833芯片结构与功能
芯片AD9833的内部主要包括了电压调整器、频率寄存器和相位寄存器、相位累加器、正弦存储器（SIN ROM）、数模转换器（DAC）等电路[8]。AD9833功能框图如图3-3所示。
AD9833芯片的主要部件是相位累加器，存在频率寄存器中的频率控制字送到相位累加器进行处理后，又由相位累加器送到正弦存储器中[9]。正弦存储器中储存了完整的1个周期内的正弦波信号幅度信息，每一个信息都与0°-360°相位角度内的正弦波信号的每个点相对应[10]。正弦存储器把输入的相位信息对应转换成正弦波信号幅度的数字量，再送到DAC转换成模拟量后输出。这一过程经过了 个MCLK的时间，正弦存储器完成了所有相位点的转换，一个周期的正弦波信号这样便产生了。输出正弦波频率为： 。其中, 为频率控制字,由程序计算得出，其范围为 。 是外部晶振的频率值，通常是25 。
AD9833采用10引脚MSOP封装。引脚配置图如图3-4所示。
根据AD9833芯片的引脚配置，设计的AD9833芯片外围电路如图3-5所示。
在AD9833外围电路中，最重要的是防止信号干扰。
电压输入到COMP引脚，为了滤除电压上的高频噪声，串联了一个0.1μF去耦电容，使得AD9833的供电电压更加稳定，以起到保护芯片的作用。
VDD引脚是芯片模拟和数字接口部分的正电源。连接一个0.1μF和一个10μF的去耦电容[11]，两个电容配合使用能更好地滤除干扰噪声。
芯片的数字部分供电为2.5V。当芯片VDD上的电压达到2.7V时，芯片中的电压调整器将会产生2.5V的稳定电压供给芯片的数字电路。本设计中，VDD引脚上的电压为5V，已经超过了2.7V，因此芯片CAP/2.5V引脚不必再额外供电，为了滤除干扰噪声，只连接了一个0.1μF和一个10μF的去耦电容。
芯片的工作时钟从MCLK引脚输入，选用的是25MHz的有源晶振，需要为该有源晶振供电，供电电压为5V。
芯片的SDATA、SCLK、FSYNC三个引脚都与数据传输和控制有关，串行数据从SDATA端输入，串行时钟从SCLK端输入[12]，FSYNC是传输控制端，分别连接到单片机的P1口的P1.0、P1.1和P1.2，用单片机发送控制数据到AD9833芯片中，以产生不同频率和不同种类的波形信号。
3.2.4DDS模块整体设计
由于AD9833芯片输出的信号幅度固定不可调节，且峰峰值只有600mV。因此在AD9833芯片信号输出端连接了一个数字电位器MCP41010和一个运算放大器AD8065。运放能够放大输出信号的幅度，设计为同相比例放大器，放大倍数由 计算得出。本设计中， 为5.1KΩ， 为820Ω，计算得出该同相比例放大器的放大倍数为7.2倍，理论上最终输出的电压能达到4.3V。
通过单片机程序控制来调节数字电位器的抽头PW到电阻两端PA和PB的电阻比例来调整输出信号的幅度。AD9833芯片的后级电路如图3-6所示。
3.3 电源模块
从电源输入口输入5V直流供电。自锁开关控制电源通断，按下时导通，弹起时断开。两个电容起到滤波的作用，使供电电压质量更好。电源的工作指示灯用了一个发光二极管。电源电路如图3-7所示。
3.4 功能按键模块
功能按键由5个独立按键组成。K1为数值加，K2为数值减，K3为频率/幅度调节切换，配合K1和K2可分别调节频率或幅度的数值；K4为步进值切换，按下可切换频率步进值；K5为波形切换，按下可切换输出波形信号的种类。按键占用了单片机P3口的P3.2～P3.6。功能按键电路如图3-8所示。
3.5 液晶显示模块
显示模块主要用LCD1602液晶屏来显示信号参数信息，该液晶屏是一种点阵式LCD显示屏，一般用于字母和数字的显示，具有两行显示，每行能显示16个字符，共有16×2个字符显示功能，能显示较丰富的信息，价格比较便宜，性价比高，因此被广泛应用于单片机电路中。
LCD1602液晶屏的工作电压为4.5V~5.5V。LCD1602模块一共有16个引脚接口，其中，数据/命令选择端RS，读/写选择端R/W和使能端E三个主要控制端口，分别连接到了单片机P2口的P2.5、P2.6和P2.7。8位数据总线连接到了单片机的P0口，值得注意的是，当单片机的P0口作为I/O口使用时，必须串联一个上拉电阻，以提高单片机P0口的驱动能力。第3引脚VO是LCD1602的对比度调整端，调整该引脚上的电压可以调节LCD1602的对比度，当接到VCC时对比度最弱，接到GND时对比度最高，而对比度太高就会产生“鬼影”[13]，因此需要将电压调整到一个合适的值。串联了一个10K的可调电位器进行对比度的调节，使显示清晰。液晶显示电路如图3-9所示。
4 系统软件设计
4.1 程序语言及软件开发环境
此次课题制作要使用软件编程，因此需要对程序语言和开发环境进行选择。程序语言方面选择的是C语言，该语言是一门通用的程序设计语言，是面向过程的语言，兼具了汇编语言和高级语言的特点，更加地接近系统底层，对于单片机来说，该语言优势较大，层次鲜明，可以按照模块化的方式编写程序代码，模块化编程可使程序调试变得便捷。在数据处理方面也十分强大，可使用多种数据类型和丰富的运算符，可以轻松构建多种不同的数据结构，通过指针可以直接寻址和操作硬件，因此C语言非常适合用来开发单片机控制程序。
在开发环境方面，选用的是Keil-C51，是一个高度集成的开发软件，集成了代码编辑器和C语言解释器，无需做很多的环境配置工作，便可以直接使用，进行C语言编程。该软件的使用也并不繁琐，只需要几个简单的操作便可以生成hex文件为硬件服务。同时自带的仿真器功能强大，可用于调试程序代码。
4.2 系统总体程序流程
总程序设计主要分为main主函数，AD9833信号发生函数，LCD1602显示函数这三个函数模块。系统程序流程图如图4-1所示。
整个系统流程为：电源打开后，单片机将进行系统初始化，同时初始化AD9833芯片与LCD1602显示屏，此时DDS模块将会产生默认设定的频率和幅度的波形信号。然后程序进行按键扫描，检测是否按下了按键，如果按下某个按键，单片机会进行处理，控制LCD1602显示出按键操作，并发送数据和命令给DDS模块，控制AD9833芯片产生按键设定的频率和幅度的波形信号。
5 系统调试与测试
绘制好PCB，完成制板，焊接好电路后，进行调试。
整体系统采用5V直流电源，用移动电源给电路板供5V直流电，按下开关，观察到电源指示灯亮起，说明电源模块没有问题。将万用表的两表笔搭在单片机的20脚GND和40脚VCC进行测量，测得电压为4.5V；测量LCD1602的1脚GND和2脚VCC，测得电压为4.55V；测量AD9833模块的VCC和GND，测得电压为4.6V，至此，说明电路板各模块的供电均没有问题，可以进行进一步的测试。
程序的编写使用Keil-C51软件完成，编译通过后，用下载器将单片机跟电脑连接，通过STC-ISP烧录软件将程序烧录到单片机中。进行按键功能测试和显示屏测试，一开始，发现没有字符显示，按下各按键也不能显示出字符。对原理图进行检查后，没有发现电路问题。便怀疑是程序问题，检查程序后，原来是显示程序的三个控制端口的定义反了，调整过来后，重新编译并生成新的hex文件，再下载后继续测试按键和显示屏，成功地显示出了参数信息，按下不同按键，在显示屏上也正确地反馈显示了。至此，说明按键功能和显示程序没有问题。
继续进行下一步的示波器实测输出信号，主要是测量信号的频率和峰峰值。
测试仪器：GDS-1102B数字示波器（100MHz，1GS/s）、TFG6920A函数信号发生器（20MHz）。
电路板上除了最后的运放放大信号输出外，设计还预留了DDS芯片的原始信号输出，以便DDS芯片的测试。原始信号的幅度是不可调节的，正弦波和三角波的理论峰峰值为600mV，方波的理论峰峰值为5V。
DDS模块输出的原始信号，是AD9833芯片直接输出的没有经过后级运算放大器放大的信号。原始信号经示波器实测，结果为：正弦波、三角波的峰峰值约为600mV，方波的峰峰值约为5V，如图5-1、图5-2、图5-3所示。
用示波器实际测量了输出正弦波放大信号的频率和正弦波频率为1KHz时的幅度，下表整理了测量结果，同时也计算出了实测值与理论值的差值，给出了不同频率和不同幅值的误差，实测分析结果如表5-1所示。
| 表5-1 频率/幅值实测分析 | |||||
| 理论频率（Hz） | 实测频率（Hz） | 频率误差（Hz） | 理论幅度（V） | 实测幅度（V） | 幅度误差(V) |
| 10 | 9.960 | 0.04 | 0.1 | 0.088 | 0.012 |
| 100 | 99.95 | 0.05 | 0.5 | 0.468 | 0.032 |
| 1000 | 1000 | 0 | 1 | 0.944 | 0.056 |
| 10000 | 1002000 | 20.00 | 1.5 | 1.42 | 0.08 |
| 100000 | 100000 | 0 | 2 | 1.88 | 0.12 |
| 1000000 | 1000000 | 0 | 2.5 | 2.36 | 0.14 |
| 2000000 | 2004000 | 4000 | 3 | 2.86 | 0.14 |
| 3000000 | 3026000 | 26000 | 3.5 | 3.34 | 0.16 |
| 4000000 | 4019000 | 19000 | 4 | 3.8 | 0.2 |
| 5000000 | 5034000 | 34000 | 4.4 | 4.12 | 0.28 |
测试结果分析：
波形信号输出不同的频率时，幅值误差并不是一定的。随着输出的频率升高，幅度误差也在变大。总体来说，方波信号的幅度误差最小，正弦波信号的幅度误差比方波稍大，三角波信号的幅度误差最大。这与AD9833芯片的结构有关，DDS芯片输出高频信号时会导致信号幅度衰减，并且输出信号频率越高，幅度衰减程度会越大。
从示波器实测信号波形来看：输出正弦波信号可以达到很高的频率，并且信号质量很好，不失真。输出三角波信号频率较高，在频率为1MHz时，信号质量很好，不失真，在频率为2MHz时，信号已经失真，波形类似于正弦波了。输出方波信号频率相较于其他两种信号低些，方波信号在1MHz频率以下，信号质量较好，不失真，频率达到1MHz时，方波的上升沿和下降沿开始产生弧度，不是方方正正的波形了。测试TFG6920A函数信号发生器输出的信号，发现它生成方波信号的频率达1MHz时也会失真，在上升沿和下降沿产生弧度。多方面查找资料分析后，这种现象是DDS信号源的普遍现象，受到DDS内部的数模转换器和波形存储器的速度限制。在达到一定频率时，都难以给生成正常的波形信号，都会产生一定程度的变形或失真。
部分程序：
#include "reg51.H"
#include "ad9833.h"
#include "LCD1602.h"
#define MAX_VOLT 44
sbit key1 = P3^2;
sbit key2 = P3^3;
sbit key3 = P3^4;
sbit key4 = P3^5;
sbit key5 = P3^6;
void DelayMs( unsigned int ms)
{
unsigned int i,j;
for (i = 0; i < ms; i++)
for(j=0;j<125;j++);
}
void main()
{
unsigned long FreqData=100000;
unsigned int volt=MAX_VOLT;
unsigned int ratio;
float ratioF;
unsigned int AmpData=255;
unsigned char WaveModle=0;
unsigned char SetModle=0;
unsigned long Fstep=100000;
ratio=2550/MAX_VOLT; //5.7= 255/44; ratio放大10倍了取整数
ratioF=6.12;//2550*(0.6/5)=306;306/50=6.12;方波增减0.1V幅度对应的数字电位器调节量。
//9833输出方波5V,正弦波是0.6V,要把方波调回到0.6V时需要数字电位器调节量是30.6。
RW_LCD=0;
E_LCD=0;
InitLCD();
DelayMs(100);
DispStrAt("S", 0, 0);DispDecSpaceAt(Fstep, 1, 0, 7);
DispStrAt("sinWave", 9, 0);
AD9833_WaveSeting(FreqData,0,SIN_WAVE,0 );
AD9833_AmpSet(AmpData);
DispDecSpaceAt(FreqData, 0, 1, 7);DispStrAt("HZ", 7, 1);
DispStrAt("am V", 10, 1);
DispDecShiftAt(volt, 12, 1, 1);
while(1)
{
DelayMs(50);
if(key1==0) //频率+ 幅度+
{
if(SetModle==1)
{
FreqData=FreqData+Fstep;
AD9833_WaveSeting(FreqData,0,WaveModle,0 );
DispDecSpaceAt(FreqData, 0, 1, 7);DispStrAt("HZ", 7, 1);
}
else if(SetModle==0)
{
if(WaveModle==1) //方波幅度模式
{
if(volt<50)
volt=volt+1;
else
volt=0;
AmpData=volt*ratioF/10;
AD9833_AmpSet(AmpData);
}
else //正弦，三角波幅度模式
{
if(volt<MAX_VOLT)
volt=volt+1;
else
volt=0;
AmpData=volt*ratio/10;
AD9833_AmpSet(AmpData);
}
DispDecShiftAt(volt, 12, 1, 1);
}
while(key1==0);
}
else if(key2==0) //频率- 幅度-
{
if(SetModle==1)
{
if(FreqData>Fstep)
FreqData=FreqData-Fstep;
AD9833_WaveSeting(FreqData,0,WaveModle,0 );
DispDecSpaceAt(FreqData, 0, 1, 7);DispStrAt("HZ", 7, 1);
}
else if(SetModle==0)
{
if(volt>0)
volt=volt-1;
else
{
if(WaveModle==1)volt=50;
else volt=MAX_VOLT;
}
if(WaveModle==1) //方波幅度模式
{
AmpData=volt*ratioF/10;
AD9833_AmpSet(AmpData);
}
else //正弦，三角波幅度模式
{
AmpData=volt*ratio/10;
AD9833_AmpSet(AmpData);
}
DispDecShiftAt(volt, 12, 1, 1);
}
while(key2==0);
}
需要完整的资料可在我的资源里下载，也可以加入我的纷传圈子，里面有资源压缩包的百度网盘下载地址及提取码。
纷传点击用微信打开即可，过程有点繁琐请见谅。
下载ECAD模型
