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实物设计
通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在《单片机与微机原理及应用》课程中所学的理论知识和实验技能，掌握常用单片机应用系统的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。
(1)掌握单片机应用系统设计的一般方法与步骤。
(2)掌握按键、显示、时钟、存储的综合设计方法。
(3)熟悉用仿真软件进行单片机系统仿真设计的方法。
1.2 设计任务
C51编写，设计一个使用AD9833信号发生器的板子。
1.3 设计
由于晶体振荡器将直接影响频率稳定度和频率波动，因此，采用电压型控制晶体振荡器，其频率稳定度高达+20 ppm，温度补偿晶体振荡器可达±1~+20 ppm，恒温箱晶体振荡器和数字补偿晶体振荡器小于±l ppm。考虑性能和成本因素，采用温度补偿型控制晶体振荡器。
模拟多选器采用ADG704．该多选器具有4个输入端，1个输出端。利用2个电平信号组合进行选择，方便与处理器I／O端口连接。3个输人信号分别是DDSl、DDS2的输出信号，以及这两者输出信号相叠加后的输出信号。模拟多选器输出这3个输入信号的其中之一。通过MCU可控制模拟多选器选择3个信号的输出。
为了控制输出正弦波峰峰值，引入数字电位器，实现对输出信号的分压，通过调节数字电位器抽头位置．改变抽头电压值。采用ADI公司的AD5160型数字电位器，该电位器具有256抽头，SPI接口，便于与处理器相连接。
MCU采用基于ARM7内核的LPC2132控制器，其具有2个UART接口，1个SPI接口和1个SSP接口。其中1个UART接口用于连接RS232电平转换器，SPI接口用于连接2个数字电位器，而电位器的SLCK，MOSI，MISO引脚相连．其片选信号连接控制器的I／O端口；控制器的SSP接口连接2个DDS，其连接方法与数字电位器类似。
该系统设计具有RS232接口．用户可编程设置DDS的输出频率、初始相位、峰峰值，以及选择2路信号独立输m或叠加的输出等。这些配置信息通过RS232接口上传至MCU。MCU根据输出频率、初始相位设置DDS；并根据峰峰值设置数字电位器；根据两路信号的独立输出或叠加的输出设置模拟多选器。
该系统设计实现：2路独立的正弦波输出，以及两者叠加输出，可分别独立断开；输出正弦波频率，初始相位、峰峰值、信号通断均由用户编程设置控制。输出正弦波最大频率高于100 kHz，调节细度为0．004 Hz，输出的正弦波峰峰值为0～500 mV，调节细度为2 mV；输出信号频率的稳定度小于10 ppm，频率误差小于O．0l Hz，频率波动小于1×10-3/h。由于DDSAD9833输出波形的峰峰值固定，该系统成功解决峰峰值设置问题。利用上位机软件可灵活设置所需波形的峰峰值、频率等。与通用信号源相比，该系统设计减少了按键面模板以及液晶显示的成本．将面模板的模拟控制改为PC的数字控制．提高系统抗干扰能力。图3为上位机软件界面，上位机软件采用VB编程，利用微软：MSCOMM控件实现。
2 方案论证
2.1方案一 纯硬件设计法
波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理嗍也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高；对于频率低于几
MHz，特别是在几百Hz时，常采用RC振荡电路。RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。其中，以文氏桥振荡电路最为常用。目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来实现。采用这种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。
2.2方案二 纯软件设计法
波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。虚拟仪器鞠使传统仪器发生了革命性的变化，是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构．在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板(如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面)，在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。实现任意波形发生器的功能。采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法。
2.3方案三 软硬件结合法
软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器为核心。辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，比如通过软件编程控制实现波形的存储、运算、打印等功能，采用USB接口设计。使波形发生器具有远程通信功能等。目前，实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。
纯硬件设计 功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外。基本不被采用。纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。综合以上几种设计方案，本设计采用方案三的方法—软硬件设计法。其方案能够产生很好的波形，也易实现。
3 系统硬件设计
3.1内部结构概述
典型的51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分：
1)一个8位的CPU；
2) 128B或256B单元内数据存储器（RAM）；
3) 4KB或8KB片内程序存储器（ROM或EPROM）；
4) 4个8位并行I/O接口P0~P3；
5)两个定时/计数器；
6) 5个中断源的中端管理控制系统；
7)一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器）；
8)一个片内振荡器和时钟产生电路。
3.2结构及功能
3.2.1 电路结构
AD9833是一块完全集成的DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）电路,仅需要1个外部参考时钟、1个低精度电阻器和一个解耦电容器就能产生高达12.5MHz的正弦波。除了产生射频信号外,该电路还广泛应外于各种调制解调方案。这些方案全都用在数字领域,采用DSP技术能够把复杂的调制解调算法简化,而且很精确。
AD9833的内部电路主要有数控振荡器（NCO）、频率和相位调节器、Sine ROM、数模转换器（DAC）、电压调整器,其功能框图如图1所示。
3.2.2 功能描述
AD9833有3根串行接口线,与SPI、QSPI、MI－CROWIRE和DSP接口标准兼容,在串口时钟SCLK的作用下,数据是以16位的方式加载到设备上,时序图如图3所示,FSYNC引脚是使能引脚,电平触发方式,低电平有效。进行串行数据传输时,FSYNC引脚必须置低,要注意FSYNC有效到SCLK下降沿的建立时间t7的最小值。FSYNC置低后,在16个SCLK的下降沿数据被送到AD9833的输入移位寄存器,在第16个SCLK的下降沿FSYNC可以被置高,但要注意在SCLK下降沿到FSYNC上升沿的数据保持时间ts的最小和最大值。当然,也可以在FSYNC为低电平的时候,连续加载多个16位数据,仅在最后一个数据的第16个SCLK的下降沿的时将FSYNC置高,最后要注意的是,写数据时SCLK时钟为高低电平脉冲,但是,在FSYNC刚开始变为低时,（即将开始写数据时）,SCLK必须为高电平（注意t11这个参数）。
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