AD9833 数控频率计

国家电工电子实验教学中心

电子系统课程设计

设计报告设计题目：数控脉冲信号发生器

学院：电子信息工程学院

专业：自动化0903班

学生姓名：胡晋

学号：09212068

指导教师：马庆龙

2012 年 1 月 2 日

目录

1设计任务要求 (2)

1.1 任务 (2)

1.2 设计要求 (2)

1.2.1 基本部分 (2)

1.2.2 发挥部分 (2)

2 设计方案及论证 (2)

2.1 任务分析 (2)

2.2 方案比较 (3)

2.3 系统结构设计 (5)

2.4 具体电路设计 (5)

2.4.1 单片机与人机交互电路 (5)

2.4.2 DDS模块电路 (6)

2.4.3 信号放大模块电路 (8)

3 制作及调试过程 (9)

3.1 制作与调试流程 (9)

3.2 遇到的问题与解决方法 (9)

4 系统测试 (9)

4.1 测试方法 (9)

4.2 测试数据 (10)

4.3 数据分析和结论 (10)

5 系统使用说明 (10)

5.1 系统外观及接口说明 (10)

5.2 系统操作使用说明 (12)

6 总结 (13)

6.1 本人所做工作 (13)

6.2 收获与体会 (13)

6.3 缺陷与不足 (13)

6.4 对本课程的建议 (14)

7 参考文献 (14)

附录一单片机主程序流程图 (15)

1设计任务要求

1.1 任务

设计并制作一个数字控制脉冲信号发生器。

1.2 设计要求

1.2.1 基本部分

（1）输出1kHz～15kHz的方波脉冲信号，占空比50%，波形良好，无明显失真。

（2）信号发生器输出电阻不限，在负载电阻为100Ω时，输出脉冲信号电平满足TTL电平要求。

（3）输出信号频率可通过拨码开关输入二进制数字预置，步进频率1kHz（即可输出信号频率1kHz、2kHz、3kHz、……、15kHz），要求拨码开关所预置的二进制数值即为输出频率值（单位：kHz）。输出信号频率的精度和稳定度要求优于10-4。

1.2.2 发挥部分

（1）输出信号频率范围2.0kHz～20.0kHz，步进频率0.1kHz（即可输出信号频率2.0kHz、2.1kHz、2.2kHz、……、19.9kHz，20.0kHz）。

（2）设计信号发生器输出电阻为50Ω。在负载电阻为50Ω时，输出信号高电平5V，低电平-5V，误差不大于10%。（测试时用示波器分别测信号发生器空载输出

电平U

Open 和带负载时的输出电平U

Load

，应满足 U

Open

= 2*U

Load

）

（3）增加按键输入和显示功能。要求用按键（可用成品键盘或用按键开关自制，按键数量不限）输入信号频率（按键输入方式不限），利用数码管或液晶显示器显示键入的数字和当前输出信号频率。

（4）增加输出保护功能。当信号发生器输出发生短路时，自动启动保护电路，切断输出并发出报警。短路去除后，自动恢复正常输出。

2 设计方案及论证

2.1 任务分析

本题目的要求是设计一个脉冲信号发生器，并且实现数控显示，输出信号在50Ω负载条件下峰峰值可以达10V。

综合各方面考虑，可以把这个系统分为几个子模块：信号源部分、控制处理部分、信号放大部分，输入输出用户接口。本系统采用模块化制作，系统结构框图如图2-1所示。

图2-1 信号源系统总体结构框图

2.2 方案比较

本系统采用模块化制作，对各模块分析比较如下：

2.2.1 信号源部分

信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。

方案一：利用RC、LC网络产生振荡信号

利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来改变正弦振荡的频率。这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。系统实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。因此该方案在设计之中不予考虑。

方案二：利用压控振荡器VCO产生振荡信号

压控振荡器(又称为VCO或V/F转换电路)产生的波形的振荡频率与它的控制电压成正比，因此，调节可变电阻或可变电容可以调节波形发生电路的振荡频率。利用集成运放可以构成具有一定精度、线性较好的压控振荡器。并且，可以用数字电位器实现对电压的程控。但是，开环VCO的频率稳定度和频率精度较低，题目中的频率范围对于压控振荡器来说较宽，很难实现，加之压控振荡器产生的信号频率稳定度也达不到题目的设计要求。

方案三：利用锁相环进(PLL)行间接频率合成

这个方案是在方案二的基础上，用锁相环将VCO输出的频率锁定在所需的频率上。PLL使输出频率的稳定度和精度,接近参考振荡源(通常用晶振)，如图2-2 所示。用一个锁相环，频率肯定可以覆盖2KHz-20KHz的变化范围。缺点是硬件复杂，增加了调试难度。因此也不采用这种方案。

方案四：直接数字合成法(DDS)

DDS或DDFS 是Direct Digital Frequency Synthesis的简称，通常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理,从”相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS方法产生任意波形(AWG)。利用专用的DDS芯片产生的信号频率准确，频率分辨率高，易于控制。而且，电路相对简单易行。

综上所述，我们采用了最后一种方案作为信号源。

2.2.2 控制部分

方案一：采取FPGA或者CPLD控制

近年来，可编程器件发展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。采用大规模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵活的特点。用它们作为系统的“神经中枢”，可以采用VHDL或者Verilog语言来描述。但是一般来说，复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)集成的门数目不会很多。现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Array) 是新一代的可编程器件，但是需要外部的配置芯片，否则断电后，保存在RAM中的程序会丢失。这个方案特别适用于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到成本和制作难易程度，没有采用这个方案。

方案二：采取MCS51单片机作为控制中心

MCS51系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。可以用汇编或者C语言进行开发。并且这种单片机的接口电路丰富，可以方便地连接及控制各种外部设备，是一种较为理想的控制芯片。

综上所述，我们采用了MCS51单片机作为控制芯片。

2.2.3 信号放大部分

系统的输出要求在频率范围内50 负载电阻上信号输出电压的峰峰值为10V，无论是何种信号源方案,它们直接输出的脉冲信号都无法满足题目中对电平的要求,必须加入放大电路。

方案一：用晶体管组成放大电路

用分立的晶体管元件构成的放大电路，优点是灵敏度高、能承受的较大的功率、动态范围广等，它们的通频带也较宽。但是，分立元件组成的电路调试起来很困难，特别是在高频段，而且容易引入噪声和失真。

方案二：用运算放大器和功放电路构成放大电路

一个较好的解决方案是利用集成的运算放大器，同时结合分立元件构成的功放电路。在前级采用运算放大器构成预放大电路，末级采用成熟的ocl功放电路进行功率放大，结合运算放大器速度快，可靠性高和功放电路频带宽，功率大的特点，可达到题目提出的高指标。

2.2.4 用户接口部分

方案一：用LED数码管、拨码开关组成用户接口电路

LED数码管无论采用静态或者动态的方式扫描，都要占用很多的CPU硬件和软件资源。数码管的接口可以使用8255、8155扩展I/O口，或者使用键盘数码管接口专用芯片，这种方案成本较高，而且电路结构复杂。

方案二：用LCD液晶屏、键盘组成用户接口电路

LCD显示器和LED数码管相比，有其无法比拟的优点。LED数码管无论采用静态或者动态的方式扫描，都要占用很多的CPU硬件和软件资源。LCD自带有锁存功能，只有当要改变显示内容的时候才需要占用软件资源，“空闲”时处于锁存状态，可以和CPU断开了联系。用户采用矩阵键盘来控制,方便快捷。同时这种