DDS信号发生器的研究

洲５，９Ｄ２ｆｌ北京理＿Ｌ人学硕十学位论文摘要直接数字频率合成（简称ＤＤＳ）是一种以固定的精确时钟源为基准，利用数字　　　　处理模块产生频率和相位均可调的输出信号的技术。随着超大规模集成电路和微电子技术的发展，现代高性能、高集成度和小体积的ＤＤＳ产品正快速取代传统的模拟信号频率合成技术，成为了这类问题新的解决方案。本文介绍了ＤＤＳ技术的基本工作原理及其特点，并在此基础上详细给出了ＤＤＳ　　　　频率合成器的设计方案。在此系统中，用户可通过键盘输入所需频率信号的数据，利用单片机ＰＩＣ１６Ｆ８７７计算出相应的频率控制字，并对ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５２进行编程，由ＡＤ７５２０内部的电阻分压网络实现幅度控制，最终得到所要求的输出波形。本系统主要由输入模块、控制模块、频率合成模块和输出模块组成。不仅可　　　　以产生正弦波和方波信号，还可以利用单片机产生的脉宽调制信号作为内调制源，实现ＦＳＫ和ＰＳＫ数字调制。实验表明，ＤＤＳ信号发生器工作稳定，易于实现，输出频率分辨率高，可以满　　　　足人们不断提高的要求。关键词：信号发生器直接数字频率合成ＡＤ９８５２单片机北京理二ｆ一大学硕十学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴＤｉ　　　　ｒｅｃｔ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　（ＤＤＳ）　ｉｓ　ａ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｂｌｏｃｋｓ　ａｓ　ａｍ　ｅａｎｓ　ｔｏ　ｇｅｎｅｒａｔｅ　ａ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ－ｔｕｎａｂｌｅｏｕｔｐｕｔ　ｓｉｇｎａｌ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ　ｔｏ　ａ　ｆｉｘｅｄ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｌｏｃｋ　ｓｏｕｒｃｅ．　Ｗｉｔｈｔｈｅ　　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　　ｏｆ　　ＶＬＳＩ　　ａｎｄ　　ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　　　ｔｏｄａｙ＇ｓｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙ－ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ，　ａｎｄ　ｓｍａｌｌ　ｐａｃｋａｇｅ－ｓｉｚｅｄ　ＤＤＳｐｒｏｄｕｃｔｓ　ａｒｅ　ｆａｓｔ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ａｎ　ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ａｇｉｌｅａｎａｌｏｇ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ　　　　　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ＤＤＳ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｆｅａｔｕｒｅｓ．　Ｏｎｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ，　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ＤＤＳ　ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｉｎｄｅｔａｉｌ．　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｕｓｅｒ　ｃａｎ　ｉｎｐｕｔ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄａｔａ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａ　ｋｅｙｂｏａｒｄ，ａｎｄ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ＰＩＣ１６Ｆ８７７　ｗｉｌｌ　ｗｏｒｋ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｕｎｉｎｇ　ｗｏｒｄ　（ＦＴＷ），ｔｈｅｎ　ｐｒｏｇｒａｍｓ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎ　Ａｎａｌｏｇ　ＤｅｖｉｃｅｓＡＤ９８５２　　　ＤＤＳ，　　　　　　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ－ｃｏｎｔｒｏｌ　　　ｉｓ　　　ｒｅａｌｉｚｅｄ　　　ｂｙ　　　ｔｈｅ　　　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｐｏｔｅｎｔｉａｌ－ｄｉｖｉｄｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎ　ＡＤ７５２０，　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｗａｖｅｆｏｒｍｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　　　　　ｓｙｓｔｅｍ　ｍａｉｎｌｙ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆ　ｉｎｐｕｔ　ｍｏｄｕｌｅ，　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｕｌｅ，　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｍｏｄｕｌｅ．　Ｉｔ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｇｅｎｅｒａｔｅｓ　ｓｉｎｅ　ｗａｖｅ　ａｎｄｓｑｕａｒｅ　ｗａｖｅ，　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ＦＳＫ　ａｎｄ　ＰＳＫ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＰＷＭｓｉｇｎａｌ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｇｅｎｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｓ　ａ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｍｏｄｕｌａｔｅ　ｓｏｕｒｃｅ．Ｂｙ　　　　　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，　ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ＤＤＳ　ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｈａｓ　ｇｏｏｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，　ｅａｓｅ　ｏｆ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｏｕｔｐｕｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｉｔ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｐｅｏｐｌｅ＇ｓ　ｃｏｎｔｉｎｕａｌ　ｅｌｅｖａｔｅｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｓ．ＫＥＹ　ＷＯＲＤＳ：　　　Ｓｉｇｎａｌ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，　　　　ＤＤＳＡＤ９８５２Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ北京理工大学硕士学位论文第一章绪论１．１频率合成技术的研究历史与发展现状在工业自动化系统中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号。随　　　　着科学技术的发展，现代电子测量对信号源频率准确度和稳定度的要求越来越高。例如在无线电通信系统中，蜂窝通信频段在９１２ＭＨｚ并以３０ｋＨｚ步进。为此，信号频率稳定度的要求必须优于１０｝。作为电子系统必不可少的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大，灵活性与准确度差。而现在要求信号源能产生波形的种类多、频率高，而且还要体积小、可靠性高、操作灵活、使用方便及可由计算机控制。为此可采用直接数字频率合成（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，简称ＤＤＳ）技术，把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。采用这种方法设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。频率合成技术的理论形成于二十世纪三十年代左右，如今已有七十多年的发　　　　展史。频率合成的概念就是由一个或几个参考频率通过一些转换，产生一个或多个频率信号的过程。在经历了直接频率合成（ＤＳ：　　Ｄｉｒｅｃｔ　ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒｓ），锁相环（ＰＬＬ：　Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）等发展阶段后，如今广泛使用的是直接数字频率合成技术。最早的直接频率合成技术是用硬件对高稳定的参考频率源进行加、减、乘、　　　　除得出所需频率，可实现快速频率转换、高频率分辨率。它又包括直接式相关频率合成器和直接式非相关频率合成器。直接式相关频率合成器只有一个频率参考源，合成器所需产生的频率由这个参考源经过分频、混频、倍频后而产生，这样的方式产生的各个频率的精度和稳定度与参考频率源一致；直接式非相关频率合成器采用多个参考频率源，这样需要产生多个频率稳定度和精度都相同的频率源。直接频率合成技术的缺点是它需要采用很多带通滤波器，结构复杂，体积大，容易产生过多的谐波和杂散分量，大多数硬件的非线性影响无法滤除。北京理工大学硕士学位论文上世纪六十年代，相位反馈理论和模拟锁相技术得到了广泛应用，产生了间　　　　接合成理论，由此引发了频率合成理论的第一次革命。间接式频率合成方式就是一个或多个基准频率源，通过谐波发生器、混频、分频等一系列非线性变换，产生大量的谐波或组合频率，再利用锁相环把压控振荡器（ＶＣＯ）的频率锁定在某一谐波或一组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。锁相环相当于一个窄带跟踪滤波器，可以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量，避免使用大量滤波器，有利于集成。但由于ＰＬＬ存在捕获时间问题，限制了频率转换的速度，使之很难适用于高速，超高速的技术要求，同时它的频率间隔不能做得很小，且系统内插入的压控振荡器带来的新的噪声还比较大。上世纪后期提出的直接数字频率合成理论是频率合成史上的第二次革命。最　　　　早的ＤＤＳ设计可以追溯到７０年代早期，当时的Ｔｉｅｒｎｅｙ和其他一些人为了产生音频信号，他们用ＲＯＭ存储了正弦波形的数据，然后再通过Ｄ／Ａ转换器和模拟滤波器，得到的输出频率达到了ＭＨｚ量级，寄生信号为一４０ｄＢ．　１９８１年，Ｒｏｋｅ　Ｍａｎｏｒ实验室制造出了后来的Ｐｌｅｓｓｅｙ公司ＤＤＳ系统的原型。它的时钟为ＩＯＭＨｚ，输出频率上限达到了３ＭＨｚ，寄生效应比希望得到的输出小于４０ｄＢ．　８０年代早期，随着数字通信系统的发展和广泛应用，Ｔｉｅｒｎｅｙ和其他人设计出了现代ＤＤＳ系统。从那时起，人们对早期的系统进行了许多改变和改进，最终使ＤＤＳ技术成为了设计模拟信号源的一种实用方法。现代ＤＤＳ信号源的输出频率可以达到ＧＨｚ，寄生效应为一６０到一８０ｄＢ或者更低。早期的ＤＤＳ芯片由于工作频率较低、输出信号中的寄生分量较大、价格的限　　　　制等原因，并未得到广泛应用。随着高速数字逻辑器件和高速数模转换器技术的迅速发展，ＤＤＳ技术得以改进并被大力推广使用，成为了频率合成技术发展的主流方向。与传统信号源设计方法相比，ＤＤＳ信号源具有许多显而易见的优点，它克服了　　　　与ＤＳ和ＰＬＬ技术有关的几乎所有的问题。能够精确的设定输出频率，提高了频率分辨率，可达到１ｖＨｚ。具有更高的稳定度，相位噪声低，变频相位连续，可实现理想的正交输出，系统参数和输出频率不随着时间改变。同时可以方便的与计算机实现控制接口，通过软件和硬件对系统进行各种的补偿。因此它是当前用的最广泛的性能较好的信号源。由于ＤＤＳ的全数字结构，也带来了一些缺点，如输出信号的带宽仅是时钟信　　　　北京理丁大学硕十学位论文号的一部分，同时输出信号中会夹杂部分寄生频率，因此需要使用特殊的技术来减小寄生效应。例如ＲＯＭ压缩，ＤＤＳ－ＰＬＩ混合或随机化。具有高时钟频率、低相位噪声、低杂散、低成本、低功耗的高性能ＤＤＳ产品　　　　一直是各个厂商追求的目标。目前生产ＤＤＳ芯片的厂商主要有：美国的Ａｎａｌｏｇ１．２本课题的主要研究工作Ｄｅｖｉｃｅｓ公司，ＴＩ公司，荷兰的Ｐｈｉｌｉｐｓ公司等，其中Ａｎａｌｏｇ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ公司的产品性价比很好。例如，它推出的ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５２，时钟频率达３００ＭＨｚ，具有相位调制、频率调制、幅度调制和输出占空比可调的方波信号等等功能。由于ＤＤＳ具有如此多的优点，因此己成为雷达、通信、电子等系统中信号源　　　　的首选，在线性调频、扩频和跳频系统、数字广播和高清晰度电视等领域中得到了广泛应用，已逐步成为高性能信号发生器的核心部件。本课题的主要研究工作是研制一个高性能、稳定的ＤＤＳ信号发生器，具体内　　　　容包括：１．　　　　　　ＤＤＳ技术的工作原理及波形产生技术：研究ＤＤＳ的工作原理，利用ＤＤＳ芯片设计并实现整个系统，产生正弦波、方波、ＦＭ，　ＦＳＫ，　ＰＳＫ等各种波形，并实现线性跳频。２．单片机技术：研究微芯（　　　　Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ）公司的８位单片机ＰＩＣ１６Ｆ８７７的原理及工作特性，实现键盘接口电路和波形产生控制电路。３．信号的输出处理技术：对ＤＤＳ芯片输出的模拟信号进行控制，实现稳幅输　　　　出。４．软件设计：利用单片机控制整个系统的工作过程，通过软件编程对输出电　　　　路进行误差补偿，提高信号发生器的精度和准确度。充分挖掘软件的功能，利用软件代替部分硬件电路，用现代的设计方法完成整个系统的设计。北京理工大学硕士学位论文第二章ＤＤＳ技术的基本原理２．１概述直接数字频率合成技术的出现改变了以往的采用ＲＣ振荡电路、　　　　直接频率合成、锁相环等传统的频率合成方法，它以固定的精确时钟源为基准，利用数字处理模块产生频率和相位均可调的输出信号。实质上它是按照可编程频率控制字所设定的比例因数，在ＤＤＳ体系结构中对参考时钟源进行分频，得到所需频率的信号。典型的频率控制字一般为２４－４８位长，用来提供更优越的频率分辨率，实现ＤＤＳ技术。使用ＤＤＳ技术得到的合成信号不仅信号的频率切换速度快，便于程控，还可以方便的合成其它周期性的任意波形信号。２．２　　ＤＤＳ的基本工作原理ＤＤＳ技术是根据奈奎斯特定理取样，从连续信号的相位出发，将一个正弦信号　　　　取样、量化、编码形成一个正弦函数表存在ＥＰＲＯＭ中。合成时，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。相位增量不同将导致一周期内的取样点数的不同，在取样频率不变的情况下，通过改变相位累加器的频率控制字，将这种变化的相位除以幅值量化的数字信号，通过Ｄ／Ａ转换及低通滤波器即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。对于一个简单的直接数字频率合成器，它可以分为参考频率源、相位累加器、　　　　可编程只读存储器（ＰＲＯＭ）和Ｄ／Ａ转换器四部分（见图２－１）．图２一１　　ＤＤＳ结构框图北京理工大学硕士学位论文我们知道，任何波形的时域形式都是时间与幅度的一种对应关系，这是由波　　　　形的三个参数—频率、相位和幅度决定的。ＤＤＳ就是利用相位和幅度的确定关系来实现波形的存储的，即是将一个周期的正弦波形按照一定的相位间隔和幅度精度存贮在ＰＲＯＭ中，这样ＰＲＯＭ的功能就相当于了一个正弦波形查询表。根据采样定理，如果要再现采样时刻的幅度，即得到所要合成的信号，理论上要求合成信号的频率不得超过采样时钟频率的一半。采样时钟一定，信号频率不同，采样点数也不同。这样就可根据采样时钟频率以及相位累加器的位数计算出与所要合成的频率相对应的采样间隔，即频率控制字，相位累加器在时钟的触发下对频率控制字进行累加，产生信号的相位，然后寻址正弦波形查找表，得到采样时刻的波形幅值信息，再经过ＤＡＣ形成模拟波形，低通滤波后就得到所要合成的模拟信号。图２－２显示了信号通过ＤＤＳ结构时各部分的输出波形。ＣｌｏｃｋＲｅｆＤＤＳ　ＣｌｒｍｎｒｙＰｈａｓｅ　　　　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ／ＳｉｎｅＣｏｎｖ．　ＡｌｇｏｒｉｔｈｍＴＡｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ　　　　Ｏ从ＣｏｎｖｅｒｔｅｒＪ个．．ＩＴｕｎｉｎｇ　ｗｏｒｄ　ｓｐ时币ｅｘ　ｏＷｐｍｆｒｅｑｕｅｐｃｒ　ａｓ　ａ　ｆａｒｃｔｏｉｎ　ｏｆ　ｉｆｅｆＣｌｕ比ｆ旧ｑｕ二‘Ｙ，ｒｌｄ　　　　　　　　　　．‘　　ｕＩＰ　　〕椒　　　　　　　　　　　　　　Ｌ‘、，扭ｆ．５１１个　　　　个Ｉｎ压口Ｉ加Ｉ　Ｄｏｍａｉｎ图２一２　　　　　ＤＤＳ各部分输出波形ＤＤＳ器件的核心是相位累加器，它相当于一个数控振荡器。如图２－３所示，　　　　相位累加器由Ｎ位可变模计数器和相位寄存器组成。为了理解相位累加器的功能，我们可以将这个正弦振荡器想象成一个矢量围绕着相位轮旋转，“相位轮”上的点与正弦波周期内相等相位的幅度量化点相对应。当这个矢量以恒定的速度围绕相位轮旋转时，一个相应的正弦波就可以产生了。相位累加器是线性输出的，所以矢量围绕“相位轮”的旋转也是线性的。相位轮上离散的相位点数由相位累加器的位数Ｎ决定。由于相位累加器的输出并不能直接产生正弦波或其它波形，它的北京理工大学硕十学位论文输出是线性增加的阶梯信号，因此需要通过相位一幅度查询表（波形查询表）将相位累加器输出的相位信息转换成相对应的正弦波的幅度信息。大多数ＤＤＳ体系结构利用正弦波的对称性，将相位累加器输出的四分之一周期的数据通过映射技术合成出整个周期的波形。当需要改变输出频率时，只需改变相位的增量值即可。相位的增量值，即矢量旋转的速度完全由频率控制字Ｋ决定。相位累加器在参考时钟的作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加，当相位累加器产生一次溢出时，则完成一次周期性操作，这个周期就是ＤＤＳ合成信号的周期，相位累加器的溢出频率就是ＤＤＳ输出的频率。举例来说，对于Ｎ＝３２位的相位累加器，如果Ｋ取值为０００．．．　０００１，那么需要经过酬个参考时钟累加器可溢出。如果Ｋ值变为０１１１．．．　１１１１，那么经过２，个参考时钟后，相位累加器溢出。／ＰＲＡＳＥ　ＡＣＣＵＭＵＬＡＴＯＲ＼卜ｂｉｔ　ＣａｒｒｙＴＵＮＩＮＯ　ＷＯＲＤＭ　　　　　　　　　　ＰＨＡＳＥＲＥＧＩＳＴＥＲ户加二日＿ｔｐＡｍｐｌ砚ＩＩｄｏＣａｎｒｅｒｆｓｒ　　　　　　０１几ＣＯＮＶＥＲＴＥＲｆＯＵＴ２Ｂ４Ｉ－Ｔ４Ｓ８１Ｂ４ＩＴ．１Ｓ８ＳＶＳＴＥ阴ＣＬＯＣ盆图２－３频率可调的ＤＤＳ系统ＤＤＳ输出的频率可由下面的公式计算得出：ｔ。一了ｆ・￣ｋ￣（１）其中，Ｆ－表示ＤＤＳ的输出频率，Ｋ是二进制频率控制字，Ｆ｝表示内部参考时　　　　钟频率（系统时钟），Ｎ是相位累加器的长度，单位是比特。从ＤＤＳ的结构和原理，可以知道改变频率控制字Ｋ，输出频率会随着改变，但　　　　是输出频率的相位是连续的。北京理工大学硕十学位论文２．３　　ＤＤＳ的特点ＤＤＳ是现代新型的频率合成技术，具有模拟频率合成和锁相环技术无法比拟的　　　　优点，是改善和简化频率合成技术的有力工具。基于ＤＤＳ的结构和工作原理，可以看出它具有下列特点：（１）　　　　．ＤＤＳ具有极高的频率分辨率从原理上可以看出，ＤＤＳ是用高稳定的固定时钟频率对所要合成的信号进行相　　　　位取样的。单位时间内取样量越大，则合成的频率越低。取样量的大小是由可程控的频率控制字决定的。由公式（１）可知，当Ｋ＝１时，Ｆ即为频率分辨率，它只由参考时钟频率和相位累加器的位数决定。对于一个４８位的相位累加器来说，当系统时钟为几百兆赫兹时，可以方便的实现几ｕＨｚ的分辨率。如果是采用锁相合成技术实现相同的分辨率，则得采用较复杂的小数分频电路，使设备变得复杂庞大。（２）　　ＤＤＳ具有极宽的相对带宽根据采样定理，ＤＤＳ的最高输出频率应小于采样时钟频率的１　　　　／２，在实际应用中，考虑到低通滤波器的非线性影响，因此一般只能达到Ｆ。的４０，此时ＤＤＳ的相对带宽为乒一Ｉ　ｕｍｉｎ户４０％对于一个４８位的相位累加器来说，这个数字是一个天文数字，其超宽的相对　　　　带宽是传统频率合成技术无法比拟的。（３）　　ＤＤＳ具有极短的频率转换时间　　　　ＤＤＳ是一个开环系统，无反馈环节，因此合成频率的转换时间主要由低通滤波器的延迟时间来决定，这使得ＤＤＳ的调谐时间比用锁相环合成频率的方法要快几个数量级。这是ＤＤＳ系统的一个非常重要的特点，更扩大了它的应用。（４）　　ＤＤＳ具有在频率转换时相位保持连续的特点从ＤＤＳ的原理可知，在改变ＤＤＳ的输出频率时，实际上改变的是每次的相位　　　　增量，即改变相位函数的增长速度。当频率控制字Ｋ从Ｋ１变为Ｋ２之后，它是在已有积累相位之上再次累加一个相位，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频２．４　　　　　　　　　北京理工大学硕士学位论文率的瞬间其斜率发生了突变，因而保持了输出信号相位的连续性。ＰＬＬ的相位虽然是连续的，但因ＶＣＯ的惰性，频率转换时间较长。在现代雷达、跳频等通信系统的应用中，当频率捷变时，如果相位是连续的，可以避免相位信息的丢失，相位的不连续会导致频谱的扩散，不利于频谱资源的有效利用。对于大惯性的控制系统，相位的突变还会造成对系统的冲击。（５）　　　　ＤＤＳ具有任意波形输出能力从前面的ＤＤＳ结构框图可以看出，ＤＤＳ之所以输出的是正弦波，完全是由正弦　　　　波形查询表ＲＯＭ中所存的函数决定的。若在正弦波形查询表ＲＯＭ中存入所需要的其它波形查询表，ＤＤＳ就可输出相应的周期性波形。因此，对于任意周期性波形，只要满足采样定理，那么不管该波形形状如何，都可以通过更新波形查询表中的数据来实现。（６）　　　ＤＤＳ具有数字调制功能ＤＤＳ的全数字的相位控制功能，使ＤＤＳ在设计中可以方便的利用频率控制字Ｋ　　　　直接调整输出信号的频率与相位，很容易实现数字调频ＦＳＫ和调相ＰＳＫ。很多集成ＤＤＳ器件都具有数字调制功能。综上所述，ＤＤＳ的性能在相对带宽、频率分辨率、快速频率转换、相位连续性、　　　　数字调制等方面已远远突破了传统频率合成技术的水平。它的一个主要缺点是合成的信号频率较低，在高频情况下会产生波形衰减。但随着集成电路工艺的提高，合成信号的频率也在不断提高。ＤＤＳ的特性分析１．　ＤＤＳ的频谱分析ＤＤＳ技术是建立在采样定理的基础上的，可以看作是采样、量化、编码的逆过　　　　程。因此，要分析ＤＤＳ输出信号的频谱，首先要理解采样定理。图２－４是采样信号的输出频谱，其中采样时钟为３００ＭＨｚ，基频信号为８０ＭＨｚ，奈奎斯特定理指出，最小的采样时钟为被采样信号频率的两倍，否则将发生　　　　混叠失真。从图中可以看出，象频响应在ＫｆＣＬＯＣＫ　ｔ　ｆＯｕ：等各个频率点上产生。第一个象频响应出现在ｆＣＬＯＣＫ一ｆＯＵＴ　（２２０ＭＨｚ　），第二、三、四、五个象频响应分别出现在３８０ＭＨｚ，　５２０ＭＨｚ，　６８０ＭＨｚ和８２０ＭＨｚ。所有的零点均出现‘在采样颇率的倍北京理工人学硕士学位论文差分／单端反ＳＩＮＣ模拟选择　　４ｘ－２０ｘ频率相位正弓交＿｝滤波器输出参考时钟参考时钟累加累加波发ＤＡＣ输入　　乘法器器器线性ＵＰ／ＤＯＷＮ时Ｒ＿生器钟／逻辑与倍乘器１洲尔冲牛１模拟Ｄ献二输出ＦＳＫ／ＲＰＳＫ／兀到烟ＨＯＬＤ频率调谐字／相位字，多路复用器和停止开始逻辑／羌建数据输入模拟输入双向１／０更新率时钟输出ｔｉ写可编程时钟更新率串并日６位地址或Ｓ位并行参泽串口程序线数据线复位十Ｖｓ地　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图２－６ＡＤ９８５２内部功能图３．反向ＳＩＮＣ滤波器：由ＡＤ９８５２内部的ＤＤＳ核心部件输出的数字信号，经过　　　　内部集成的ＤＡＣ将数字信号转换为模拟信号，ＤＡＣ的输出波形呈阶梯状，阶梯的形成是由于ＤＡＣ在下一次采样到来前进行的采样保持造成的，这种频谱为Ｓ工ＮＣ包络。反向Ｓ工ＮＣ滤波器是一个１７个抽头的线性相位ＦＩＲ滤波器，该滤波器可以对ＤＡＣ输出的频谱进行预校正，使其输出幅度在奈奎斯特带宽内保持平坦。但是反向ＳＩＮＣ有３．　１ｄＢ的插入损耗，并且功耗很大，考虑到功耗问题时，可关闭不用。４．数字乘法器：在正弦波形查询表和ＤＡＣ之间插入一个数字乘法器，用来对　　　　输出正弦波进行幅度调制。数字乘法器的宽度决定了输出幅度的分辨率。５．附加高速ＤＡＣ：在输出端增加一个高速ＤＡＣ，用于提供余弦输出，这使得　　　　ＡＤ９８５２可输出精确的正交信号，并且它能够当作一个可控ＤＡＣ在不同应用中使用。６．高速比较器：这个集成在ＡＤ９８５２内部的比较器可以将ＤＡＣ输出的正弦信　　　　北京理工大学硕十学位论文号转换成方波信号，便于用作时钟发生器。７．频率／相位寄存器：这些寄存器用于对频率和相位控制字进行预编程，然　　　　后通过一根控制线执行相应的操作。这种结构也支持用一根输入线实现ＦＳＫ调制。ＡＤ９８５２是以ＤＤＳ技术为核心的高性能器件。它使用０．３５微米ＣＭＯＳ技术，工　　　　作电压为３．　３Ｖ，它的时钟高达３００ＭＨｚ，具有良好的动态性能。控制接口简单，可采用ＩＯＭＨｚ的串行两线或三线外围接口进行编程，也可采用１００ＭＨｚ的８位并行接口。它具有单脚ＦＳＫ和ＰＳＫ数据接口，并可实现自动双向频率扫描功能。ＡＤ９８５２有五种可编程的工作模式，某些特殊的功能必须在特定的模式下才能　　　　完成。在后面对ＡＤ９８５２进行编程时再加以介绍。北京理工大学硕士学位论文第三章系统总体设计３．１３．２在本次设计中，我根据现代设计方法理论，首先明确了设计要求，如设计对　　　　象、技术指标等，然后采用自上而下的设计方法，对整个系统的总体设计框图进行了论证，确定其可行性后，再逐步细化，划分出各个功能模块，设计出相应的电路和软件。下面就对各个部分加以介绍。技术指标本次设计的目的是研制一高性能的信号源，具体指标为：１．频率范围、频率稳定度、分辨率范围：ｌＨｚ　－３０ＭＨｚ稳定度：１０１０－ｓ分辨率：１Ｈｚ２．输出幅度：５０欧姆负载输出３ｍＶ　＾－１Ｖｒｍｓ（１Ｈｚ－３０ＭＨｚ）幅频：＜Ｏ．２ｄＢ　（１Ｈｚ－３０ＭＨｚ）衰减：ＩＯｄＢ步进，细调衰减ｌＯｄＢ；误差（１　１．５ｄＢ　（１Ｈｚ－３０ＭＨｚ）３．输出波形：正收油、方波、ＦＳＫ．　ＰＳＫ．　ＦＭ总体方案图３一１总体设计框图３．３硬件电路抗干扰性设计北京理下大学硕士学位论文总体设计包括硬件设计和软件设计。如图３－１所示，硬件设计主要包括三部　　　　　　　　分：ＤＤＳ波形产生电路设计、ＰＩ　　　　Ｃ单片机控制电路设计和输出信号调整电路设计。软件设计需要完成键盘输入、脉宽调制信号的产生、ＤＤＳ芯片的写入以及输出信　　　　号幅度的控制等功能。下面就对硬件各部分逐一加以介绍。　　　　１　　　　　　　　．　　ＤＤＳ波形产生电路波形的产生主要是通过单片机对ＤＤＳ芯片写入频率控制字，改变波形的　　　　　　　　　　　　频率，实现波形的频率在规定的范围内可以随意调节。正弦波可由ＤＤＳ直接　　　　　　　　输出模拟波形；对于方波，可将输出的正弦波经过低通滤波器接到高速比较　　　　　　　　器的输入端，经比较器输出方波。　　　　　　　　对于数字调制，可将输入信号接到ＡＤ９８５２相应的管脚，同时设置两个不　　　　　　　　　　　　同的频率或相位，在规定的工作模式下输出相应的波形。　　　　　　　　２　　　　　　　　单片机控制电路单片机的主要工作是对键盘进行扫描，从键盘接收相应的键值，包括合　　　　　　　　　　　　成信号的频率，幅度的放大和衰减倍数以及各种功能按键的值，再通过键值　　　　　　　　解释程序执行相应的操作。接收到需要产生的频率数据后，单片机经过内部　　　　　　　　运算得出ＡＤ９８５２产生该频率所需的频率控制字（十六进制），在写时序控制　　　　　　　　下，将数据写入ＡＤ９８５２内部的各个寄存器，产生所需的合成信号。　　　　　　　　为了实现数字调制，可由单片机产生一脉宽调制信号，作为内调制源接　　　　　　　　　　　　到ＡＤ９８５２的数字调制输入管脚，实现内部数字调制。　　　　　　　　３　　　　　　　　输出信号调整电路由于波形幅度要求在３ｍＶ－　　　　　　　　　　　　　　　１Ｖｒｍｓ（１Ｈｚ－　３０ＭＨｚ）的范围内连续可调，因此采用了程控增益的方法对其进行幅值的放大和衰减。单片机可以通过Ｄ／Ａ转　　　　　　　　换器控制信号的增益，实现信号幅值在规定范围内可以根据需要任意调节。　　　　　　　　为了获得满意的输出波形，系统对于信号要求保持较低的噪声和尖峰脉冲。　　　　因此系统的抗干扰设计包括ＦＭＣ设计，必须在设计开始进行，这样方能保证系统的可靠性和质量。北京理工大学硕士学位论文１．接地在电子线路中，接地是控制干扰的重要手段。除了使地线尽可能的粗和　　　　短，从而降低印制线条的电感和电阻外，还应注意印制线路的设计技巧，以避免不同电路网络之间存在的较大地线公共阻抗。若将接地和屏蔽正确结合使用，可以解决电路中的大部分干扰问题。根据实际工作经验，在模拟电路和数字电路中，尤其在模拟电路中，当　　　　工作频率低于１ＭＨｚ时，印制电路板中，线与线及器件与器件之间的电感影响较小，而接地形成的环路干扰较大，一般采用单点接地方法来减小环路公共阻抗。所谓单点接地是指电路各部分的基准电位相同。当工作频率在１ＭＨｚ－ＩＯＭＨｚ时，如果地线的长度不超过波长的１／２０，可采取单点接地，否则应多点接地。当工作频率高于ＩＯＭＨｚ时，地线的电感与电容对电路的影响很大，特别是电源的引线非常重要，高频范围要尽可能的降低地线感抗，布地线时应适当加宽，甚至可以利用印制板的一面或局部作为地线，同时应采用多点就近接地法，以降低电路的阻抗。良好的接地对高速、高频电路来讲尤其重要。为了减小地线电感，设计　　　　中采用多点接地法，来尽量增大接地面积，接地线要尽量短以减小电感。对于电路板上的空余面积，采用了敷铜接地处理。２数字地和模拟地分开由于本次设计既有数字电路又有模拟电路，因此地线的走向和排布非常　　　　重要。因为数字地上的各种杂散干扰很强，一旦通过地线串到模拟地，会严重影响模拟电路性能。为了防止数字电路噪声窜入模拟电路而影响其性能，数字地（ＤＧＮＤ）网络和模拟地（（ＡＧＮＤ）网络在电路中尽量物理分开，两地线网络之间采用单点接地，尽量加大模拟电路的地线面积，数字电路接地则尽量构成环路，从而减小电路中的电位差值，提高抗噪声能力。３．电源的处理印制线条上的电感，在电流突变的情况下产生相当大的电压降，随着器　　　　件密度的增加以及大规模集成电路和高速电路的广泛应用，电路工作时电流的突变更为严重，所产生的噪声电压也随着增大。要有效的抑制电源产生的压降，在电源线上加旁路电容是一个较好的方法，每个集成芯片均配一个０．０１ｐＦ的旁路电容，滤除该器件的高频噪声。北京理工大学硕士学位论文４．　　ＥＭＣ设计电磁兼容是指电路整体系统在各种电磁环境中协调有效工作的能力。电　　　　磁兼容设计的目的是使电子设备本身能够抑制各种外来干扰，使电子设备在特定的电磁环境中正常稳定的工作，同时减少电子设备本身的电磁辐射对外界电子设备的干扰。合理的选择印制导线宽度，减小印制板导线的电感量，可以有效的抑制　　　　干扰。由于瞬时电流在印制板上产生的冲击主要是印制导线电感造成的，故应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因而短粗导线对抑制干扰是有利的。时钟引线或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流，印制导线要尽可能的短。在本次设计中，信号线的宽度一般为０．　３ｍｍ，电源线和某些特殊信号线的宽度为０．　５ｍｍ，基本达到设计要求。其次，采用正确的布线策略也可减小串音干扰。用平行走线可以减小导　　　　线电感，但导线之间的互感和分布电容将增加，在布局允许时，最好采用井字型网状布线结构，即在印制电路板一面横向布线，另一面纵向布线，在交叉处用金属化孔连接。为了抑制线条间的串音干扰，设计布线时尽量避免长距离的平行走线。拉开线间的距离，信号线与地线及电源线尽可能不交叉。在本次设计中，采用将印制板的一面全部用铜箔做成大平面接地方式，由于平行导线间的分布电容在导线接近接地平面时会变小，因此另一面的印制线之间的串音也得到了减小。５．元器件空余输入管脚的处理数字集成电路的多余输入管脚闲置时处于悬空状态，从逻辑观点来看，　　　　与“１”的输入状态的逻辑关系一样，由于开路的输入端有很高的输入阻抗，因此容易受到外部的电磁干扰，所以应对元器件的空余输入管脚采用处理措施以防止干扰：将闲置输入端与使用输入端并联，方法简单，但是增加了前级电路的输出负担；将闲置输入端通过电阻上拉到ＶＣＣ，这种方法简单易行，因此在电路设计中对元器件的空余的输入管脚均上拉到了高电平。６．屏蔽由于在电路中使用了宽带运算放大器，因此采用了屏蔽措施，尽量做到　　　　阻抗匹配，并使用屏蔽盒将放大器部分罩住，防止电磁干扰。北京理工大学硕士学位论文第四章硬件电路设计与实现上一章已经指出，总体硬件电路主要包括三部分：ＰＩＣ单片机控制电路设计、ＤＤＳ　　　　波形产生电路设计和输出信号调整电路设计。下面就对这三部分进行具体介绍。４．１单片机控制电路设计美国Ｍｉ　　　　ｃｒｏｃｈｉｐ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ公司推出的８位ＰＩＣ系列单片机，采用精简指令集（ＲＩＳＣ－Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｅｔ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、哈佛总线结构、二级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、低功耗、高速度、体积小、功能强和简单易学等特点。它体现了单片机发展的一种新趋势，完全能够满足系统性能要求，因此特别选择了适于开发的Ｐ工Ｃ１６Ｆ８７７单片机，作为整个系统的控制中心。１．单片机性能特点介绍　　　　Ｐ工Ｃ１６Ｆ８７７单片机是ＰＩＣ系列单片机的中级产品，　　　　　　　　采用１４位的Ｒ工ＳＣ指令系统，一共只有３５条单字指令，简单易用；工作速度快，可接收　　　　ＤＣ－２０ＭＨｚ时钟输入，指令周期可达到２００ｎｓ；存贮空间大，具有高达　　　　８Ｋ字（１４位字长）的ＦＬＡＳＨ程序存储器和３６８字节的数据存储器。除　　　　此之外，它具有１４个内部／外部中断源和８级硬件堆栈，便于编程；带　　　　有片内ＲＣ振荡器的监视定时器，保证其可靠工作；可根据不同需要选　　　　择不同的振荡器工作方式以减小功耗，同时在保持低价的前提下增加了　　　　Ａ／Ｄ、内部ＥＥＰＲＯＭ存储器、比较输出、捕捉输入、ＰＷＭ输出、ＳＰ１接口、　　　　异步串行通信（ＵＳＡＲＴ）接口、模拟电压比较器、ＬＣＤ驱动等许多功能。　　　　其结构框图如图４－１所示。　　　　　　　　单片机Ｐ工Ｃ１６Ｆ８７７的各１／０口既可当作一般的Ｉ／０口使用，也可以　　　　　　　　用作特殊的功能口。当Ｉ／０口需要作为功能口使用时，只需要设置功　　　　能控制寄存器的相应控制位即可。　　　　Ｐ工Ｃ１６Ｆ８７７片内的程序存储器容量为ＳＫＸ　　　　　　　　　１４，访问超过这些地址空间的存储单元将导致循环回到有效的程序存储空间。数据存储器分成４　　　　个存储区，每个存储区由通用寄存器和专用寄存器两部分组成，最多可　　　　达１２８个字节。专用寄存器安排在低位地址存储单元，通用寄存器接着　　　　北京理一ｒ大学硕士学位论文专用寄存器后面安排在高位地址存储单元，通用寄存器都是用静态ＲＡＭ实现。所有存储体都包括专用寄存器，某些使用率高的专用寄存器可从一个存储体映射到另一个存储体中，以缩减代码和提高存取速度。ＲＡ［ＹＡ叫口日内１０ＡＮＩ日八洲八阳２ＮＰｓ卜的六习八ＮＪ彻日ＥＦ‘日Ａ今叮ＯＣ阅日ＡＷＡＮ月若日旧凹Ｍ日旧１日旧２日日留只奋目日旧阔内日旧ＲＢ＆ＰＧＣ日日子｛ｐ口口ＲＣ＆Ｔ１ｉＳＵＴＩＣＫＩＲＣ７ＭＯ＆ＣＣＰ２ＲＣ２ｒＣＰ１汽Ｃ日翻曰１４５忿ＬＲＣ月召口距旧八ＲＣ５９ＤＯ日Ｃ日月洲心ＫＲＣＴｍＡＴ们眨Ｗ八ＮＳ１：记ｒＲＥ１７ＡＮ９丽限阅胜２确ＲＴＥＳ图４－１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机结构框图２．单片机控制电路设计单片机ＰＩ　　　　　　Ｃ１６Ｆ８７７的主要功能首先是对各部分器件进行初始化，尤其需要对ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５２的各个寄存器进行复位，设定工作模式，使其开始正常工作。然后从键盘得到按下键的键值，根据不同键值执行相应的操作，包括将输入的频率值转换成对应于ＡＤ９８５２的频率控制字，按照写操作时序的要求，将数据写入ＡＤ９８５２的寄存器中。根据设定的幅度大小，控制衰减器的衰减倍北京理工大学硕士学位论文数，使输出信号满足要求。当需要产生内调制源时，由具有产生脉宽调制信号功能的管脚输出该信号，作为调制信号输入到ＡＤ９８５２的相应管脚。ＰＩ　　　　　　Ｃ１６Ｆ８７７共有５个Ｉ／０口，分别是ＲＡ，　ＲＢ，　ＲＣ，　ＲＤ和ＲＥ．　ＲＡ包含６根引脚，ＲＥ包含３根引脚，ＲＢ，　ＲＣ和ＲＤ都包含８根引脚，共３３根Ｉ／０引脚。由于使用ＭＰＬＡＢ－ＩＣＤ套件作为开发工具，在实现在线调试和在线编程的过程中，采用了ＰＩＣ１６Ｆ８７７集成在片内的在线调试功能和Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的在线串行编程协议，因此占用了单片机的片内和引脚中的部分资源。就Ｉ／Ｏ引脚而言，ＲＢ６和ＲＢ７引脚保留为在线编程和在线调试时的通信专用，不能再被使用。对于剩余的３１根Ｉ／０引脚，除一根未用外，其余３０根可具体分成三部分，分别为地址线，数据线和控制线。下面就将它们的各自功能说明一下。地址线（ＲＣＯ，　　　　　　　ＲＣ　１和ＲＣ３－ＲＣ６）：共６根，用来寻址ＡＤ９８５２内部的寄存器。数据线（ＲＤＯ－ＲＤ７，　　　　　　　ＲＡ４，　ＲＡ５）：共１０根，其中ＲＤＯ－ＲＤ７用来在单片机和ＡＤ９８５２之间交换数据．ＲＡ４与ＲＡ５表示１０位ＤＡＣ芯片ＡＤ７５２０的低两位，与ＲＤＯ－ＲＤ７共同组成１０位数据，控制衰减器的衰减倍数。控制线：共１　　　　　　４根，又可具体分为：１　　　　　　）键盘扫描线：共８根，ＲＡＯ－ＲＡ３为４根行扫描线，ＲＢＯ－ＲＢ３为４根列扫描线，用来对４Ｘ４小键盘进行扫描以获取键值。　　２）　　　　　　　　　　ＡＤ９８５２控制线：共３根，其中ＲＥＯ为写控制线，用来输出写信号，对ＡＤ９８５２进行写操作；ＲＥ１为读控制线，用来输出读信号，对ＡＤ９８５２进行　　读操作；ＲＣ７为工／０口更新线（工／０　　　ＵＤ　ＣＬＫ），当它被设为输出时，用来输出更新信号，将ＡＤ９８５２寄存器内部的数据传到芯片的核心处理模块，实现　　信号频率合成。　　３）片选线（ＲＢ４，　　　　　　　ＲＢ５）：两根线分别用于控制两个７４ＨＣＴ３７３　Ｚ作。当ＲＢ４输出为高电平时，第一个７４ＨＣＴ３７３有效，８位数据经３７３缓冲器后　　送到ＡＤ９８５２的数据输入端；当ＲＢ５输出为高电平时，第二个７４ＨＣＴ３７３工　　作，８位数据经３７３缓冲器后与低两位数据ＲＡ４，　　　ＲＡ５组成１０位数据输入到ＡＤ７５２０ｏ　　４）脉宽调制信号输出（ＲＣ２）：由于ＲＣ２能够输出脉宽调制信号，因　　　　　　此当需要内调制源时，可由ＲＣ２产生调制信号，并输入到ＡＤ９８５２中去。　　北京理工大学硕士学位论文图４－２为单片机ＰＩＣ１６Ｆ８７７最小系统及其外围电路设计的原理图，下面就对各部分分别加以介绍。ｎｍ，　卜卿．入饰３＝．，一臼・０．ｔｏ自一山峨洲　　伪０．０翻ａ３ＯＩ｝Ａ　７　　　　Ｉｓ１笛〔目　　卜ｍ｝一　　　　　ｌａ仍小０“叱　　０，　　已ｒ　　【王　　ｒｒｅｓ百，：公陀吸Ａ已　　ＬＲ　　　　３｝．皿ＡＩ．吸Ａ嘴．砚Ａｉ升　　　　月份Ｊ」．气门，．Ｆ－－Ｉ【一〕ａ‘．甲ＦＳ砚‘‘民．妇…　　吸Ａ目Ｊ暇侧吸二　　一ＲＮＡＳ　Ａ３｝Ｉ”；ｕ－－　Ｉ‘匆ＯＥＭ‘１Ｔ９．１目山含１吸ａ习　　Ｒ．３　　．ｏ１刀１．伪，油　　日．‘．口．臼五…Ｉ”比‘刀１‘，ＴｕＴ１，‘Ｉｓｒ－卜钾卜切ｊ卜钾月卜钾司．，「月　　伪五口．，ＯＩ　　　　动山　　口１学印卜钾，１洛１ＯＩ　　．一十弓卜１瑞任’ＪｌＩ０６俐仿伪切　　口ｘ０口　　佗　　厄王　　图４－２单片机系统原理图３．时钟设置电路ＰＩ　　　　Ｃ１６Ｆ８７７可以在４种不同类型的振荡方式下工作：ＬＰ方式（低功耗晶体振荡器方式）、ＸＴ方式（晶体／陶瓷谐振器方式）、ＨＳ方式（高速晶体／陶瓷谐振器方式）和ＲＣ方式（阻容振荡器方式）。根据系统性能要求，我选用了ＸＴ方式，将４ＭＨｚ晶体接到芯片的ＯＳＣ１和ＯＳＣ２引脚上来建立振荡。图４－３所示为振荡电路。这样时钟信号为４ＭＨｚ，最小指令周期为ｌｕｓｏ图４－３　　　　ＬＰ方式的振荡电路北京理工大学硕十学位论文４．键盘扫描电路４．　２　　ＤＤＳ波形产生电路设计通常情况下，需要用键盘输入参数或对程序的进程进行管理，因此在单　　　　片机的应用设计和调试中，键盘是一个不可缺少的部分。为了使硬件设计简单化，本次设计利用单片机的ＲＡＯ－ＲＡ３和ＲＢＯ－ＲＢ３进行直接扩展，扫描４Ｘ４矩阵式键盘。由于单片机的每个ＰＯＲＴＢ端口引脚都有内部弱上拉电路，通过一个２０Ｋ　　　　的电阻连接到＋５Ｖ，因此利用这个特性，可以很容易做成键盘接口界面。如图４－２所示，ＲＡＯ－ＲＡ３为行线，ＲＢＯ－ＲＢ３为列线，启用弱上拉电路，对键盘的输入扫描采用查询方式。当无键按下时，各列线均为高电平。当行线分别输出低电平时，有键按下，相应的列线上会出现低电平。根据此原理，ＣＰＵ对整个键盘进行扫描。所谓扫描，即ＣＰＵ不断轮流对行线置低电平，然后检查列线输入状态，确定按键情况。如图４－２所示，在确定有键按下后，先把ＲＡＯ置为低电平，ＲＡ１－ＲＡ３置为高电平，再读入ＲＢＯ－ＲＢ３的值。若ＲＢＯ为“Ｉｌｌ，其余为“０＂，则按键１００”按下，若ＲＢ１为“１＂，则按键Ｉ＇ｌｌ，被按下，依此类推。若ＲＢＯ－ＲＢ４皆为“１＂，则证明按下的键不在该行，应进行下一行的扫描。下一行扫描时，令ＲＡＩ为低电平，ＲＡＯ，　ＲＡ２和ＲＡ３为高电平，判断方法同上。扫描键盘的时间很短，仅几微秒；而按键时间一次至少需要几十毫秒，所以只要有键按下，都能被扫描到。按键按下时有一定的抖动时间，因此在编制程序时，应该用延时消除抖动，以免产生多次按键错误。当频率控制字、控制信号由单片机送给ＤＤＳ后，ＤＤＳ将根据控制信号工作于相　　　　应模式，合成所需频率的正弦波。但此信号还不能直接输出，需要经过信号的调理，实现了指标要求后方能输出。本节的主要内容就是波形产生电路的设计。图４－４所示为ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５２　　　　及其外围电路图，主要由时钟电路、复位电路、ＡＤ９８５２外围接口电路和低通滤波器组成。北京理下大学硕士学位论文霎图４－４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＡＤ９８５２外围电路图１．时钟电路　　　　ＤＤＳ系统对外部时钟源的要求非常严格，频率稳定度低的时钟源产生的　　　　　　　　相位噪声将影响输出信号的频谱纯度。由于ＴＣＸＯ（温度补偿晶体振荡器）利用热敏电阻网络能够补偿晶振频率随温度的变化，在０到４００Ｃ温度变化范围内，频率稳定度小于１．　５ｐｐｍ，因此选择了高精度２０ＭＨｚ有源ＴＣＸＯ作为时钟发生器，产生的时钟信号输入到ＡＤ９８５２的ＲＥＦＣＬＫ引脚上，经过ＡＤ９８５２内部的时钟乘法器５倍频后，生成ＩＯＯＭＨｚ的内部系统时钟。有源ＴＣＸＯ外部仅有４个管脚，除了一个管脚未用之外，其余管脚分别为Ｖ＋，　ＧＮＤ和时钟输出端，因此可以方便的产生高稳定度的正弦波时钟信号，完全能够满足系统的要求。２．复位电路　　　　ＡＤ９８５２在上电之后并不能立即工作，必须通过可靠复位之后才能有序的　　　　　　　　执行程序。同时，复位电路也是容易受噪声干扰的敏感部件之一。因此，复　　　　位电路的设计要求有两个：一要保证ＡＤ９８５２可靠复位，必须保证保持高电平　　　　的最小时间大于１０个时钟周期：二要有一定的抗干扰能力。　　　　为了使ＡＤ９８５２可靠复位，必须保证１０个时钟周期的高电平复位脉冲。　　　　　　　　北京理工大学硕士学位论文因此，当外部时钟晶振为２０ＭＨｚ，　ＡＤ９８５２内部的ＰＬＬ时钟５倍频，时钟信号最终变频为１００ＭＨｚ，时钟周期为ｌＯｎｓ，　１０个系统时钟周期是１００ｎｓ。根据公式Ｔ＜ＲＣ可知，电阻与电容值的选择必须保证ＲＣ＞　１００ｎｓ，因此当电阻选取４７Ｋ，电容值选取０．　１ＵＦ时，ＲＣ＝４．　７ｍｓ＞　１００ｎｓ，这就足能够保证ＡＤ９８５２的可靠复位。３．　　ＡＤ９８５２接口电路尽管ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５　　　　２的功能很强大，能够满足多种应用的要求，但它仍需少量外围器件搭配在一起，使之更好的工作。下面就根据电路图４－４，对其中的重点部分作一说明。ＡＤ９８５２共有８０根引脚，采用ＬＱＦＰ封装形式。其中有六根地址线ＡＯ－ＡＳ，　　　　可在并行编程时寻址ＡＤ９８５２内部的３９个寄存器。Ａ０，　Ａｌ和Ａ２还具有复用功能，可在串行编程中使用。８根数据线ＤＯ－Ｄ７仅在并行编程时使用。第２０引脚１／０　ＵＤ　ＣＬＫ为双向频率更新信号线，由控制寄存器设定其输入输出方向。，当为输入时，在时钟的上升沿将程序寄存器的数据送给内部ＩＣ，进行数据处理，执行相应的操作；当它作为输出时，如果输出８个系统时钟周期的脉冲（低到高），表明发生了内部频率更新。在本次设计中将它设为输入口，与单片机的ＲＣ７相连，当ＰＩＣ１６Ｆ８７７对ＡＤ９８５２完成所有编程后，由ＲＣ７送出一个更新脉冲，产生所需频率的信号。ＷＲＢ／ＳＣＬＫ引脚在并行方式时，写并行数据到程序寄存器，它还有ＳＣＬＫ　　　　功能，用作串口时钟信号。ＲＢＤ／ＣＳＢ引脚在并行方式时，可读取程序寄存器的数据，它还有ＣＳＢ功能，用作串口数据总线片选。第７０引脚Ｓ／Ｐ　ＳＥＬＥＣＴ用作串并行选择口。逻辑低为串行编程模式，逻辑高为并行编程模式，在电路中它与ＤＶＤＤ相连，表明选择了并行模式。ＦＳＫ／ＢＰＳＫ／ＨＯＬＤ是一个重要的引脚，它的功能由程序控制寄存器选择，　　　　可完成多种功能。在本次设计中此引脚用作调制信号输入端，由ＲＣ２产生的脉宽调制信号经此引脚送入到芯片内部，可实现ＦＳＫ和ＰＳＫ数字调制。ＦＳＫ模式时，逻辑低选择频率Ｆｌ，逻辑高选择频率Ｆ２；　ＢＰＳＫ模式时，逻辑低选择相位１，逻辑高选择相位２。此外，在线性调频模式时，若此引脚为高，则ＨＯＬＤ功能使频率累加器保持当前频率暂停扫频，为低时则继续线性扫频。ＶＩＮＰ为电压输入正极，内部高速比较器的正向输入端；Ｖ工ＮＮ为电压输入　　　　北京理工大学硕士学位论文负极，内部高速比较器的反向输入端；ＶＯＵＴ为内部高速比较器正向输出端，输出标准ＣＭＯＳ逻辑电平。ＩＯＵＴ１为余弦ＤＡＣ单极电流输出端，ＩＯＵＴ１１３为余弦ＤＡＣ单极辅助电流输出端，工ＯＵＴ２为控制ＤＡＣ单极电流输出端，ＩＯＵＴ２Ｂ为控制ＤＡＣ单极辅助电流输出端。当需要产生方波信号时，由ＩＯＵＴ１和ＩＯＵＴ２输出的正弦波合成信号经过低通滤波器后，送到高速比较器的两个输入引脚ＶＩＮＰ和ＶＩＮＮ中，此时比较器的输出为方波信号。ＤＡＣＢＰ引脚用于连接两个ＤＡＣ普通旁路电容，在它与ＡＶＤＤ之ｈ１　　　　接一个０．　ＯｌｕＦ电容可改善谐波失真。ＤＡＣ　ＲＳＥ：引脚为两个ＤＡＣ设置最大电流输出的常用连接，ＲＳＥＴ＝３９．　９／ｌ０ＵＴ，一般为８Ｋ　（５ｍＡ）到２Ｋ　Ｑ　（２０ｍＡ　），在电路中选择ＲＳＥＴ为４．　７Ｋ　Ｑ　ｏ　ＰＬＬ　ＦＩＬＴＥＲ引脚用于连接参考时钟乘法器ＰＬＬ滤波的外部零点校正网络，该校正网络由１．　３Ｋ　０电阻串连一个０．　ＯｌｕＦ的电容组成，另一边与ＡＶＤＤ　（６０引脚）相连（尽量靠近）。在控制寄存器ＩＥ地址“ＢＹＰＡＳＳ　ＰＬＬ＂位置．１，，使参考乘法器旁通，可获得最优的相位噪声性能。ＤＩＦＦ　　　　　ＣＬＫ为差分参考时钟输入使能引脚，此脚为高电平时，输入为差分时钟信号，最小差分信号幅度的峰峰值为８００ｍｖ，在电路中将此引脚接ＡＧＮＤ，表示采用单端时钟输入。ＲＥＦＣＬＫＢ为反向差分时钟输入引脚，采用单端时钟模式时将此引脚接地。ＲＥＦＣＬＫ为单端时钟输入引脚，由ＴＣＸＯ产生的时钟信号送入此引脚，最终生成１００ＭＨｚ的系统时钟信号。以上对ＡＤ９８５２的重要引脚作了比较详细的介绍，除此之外，其余管脚分　　　　别为数字电源ＤＶＤＤ３．　３Ｖ，模拟电源ＡＧＮＤ３．　３Ｖ，数字地ＤＧＮＤ和模拟地ＡＧＮＤ等。与其它ＤＤＳ芯片相比，ＡＤ９８５２不仅功能强大，而且所需外围电路也非常简单，便于使用。４．低通滤波器设计由于ＤＤＳ芯片的输出具有大量的谐波分量及系统时钟干扰，而低通滤波器　　　　能够较好地滤除杂波，平滑信号，所以为了得到所需频段内的信号，需要在ＤＤＳ的输出端加一滤波器来实现。在实际设计滤波器过程中，人们用一个可实现的衰减特性来逼近理想特　　　　性，根据不同的逼近准则，采用不同的衰减特性，有不同的频响滤波器。低通滤波器的频率响应主要有三种：巴特沃兹滤波器（最平坦响应滤波器），切比雪夫滤波器，椭圆函数滤波器。巴特沃兹低通滤波器的响应最为平坦，它４．３输出信号调整电路设计北京理工大学硕士学位论文的通带内没有波纹，在靠近零频处，有最平坦通带，趋向阻带时衰减单调增大。它的缺点是从通带到阻带的过渡带最宽，对于带外干扰信号的衰减作用最弱。切比雪夫滤波器在通带内衰减在零值和一个上限值之间做等起伏变化，阻带内衰减单调增大。椭圆滤波器的衰减在通带和阻带内都等起伏变化。比较来看，椭圆函数滤波器的性能更好，可以满足系统设计要求。为了可以得到实际的ｃ和Ｌ的值，可以根据公式计算出反射系数Ｐ和归一　　　　化滤波器的阶数。，再通过Ｐ和。查找出归一化的滤波器参数ｃ’和Ｌ＇，则可以得到ｃ和Ｌ的值：Ｌ＝Ｌ＇　　　　　　　　　　　　　　　　２，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　，ｒ　生ｆｃ　　　　　　　　　　　　　　　　　＝一　　２；　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｒ关＊ＺＣ＇式中的Ｚ是阻抗表度系数。由上式计算出的Ｃ和Ｌ的值并不能直接应用，还需要进行变换。实际的　　　　电感线圈不仅表现为感性外，还具有一定的损耗电阻和分布电容。利用下列公式１　　　　　　　　ｃ＝一２Ｌ＊２ｚ　　　　ｒｆ二＝里；ｒ　Ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｆＬ计算出电感的等效电阻和电容，将等效的电阻电容加入电路中，再逐级优化电容值和电感值即可。在波形产生后，需要一定的波形调整电路对它进行控制。根据设计要求，输　　　　出电路要实现对输出波形在３ｍＶ－ｌＶｒｍｓ（１Ｈｚ　－３０ＭＨｚ）的范围内幅度程控并且连续可调，因此需要经过可调增益放大器（细调）和程控增益放大器（粗调）来完成这些功能。下面就针对各项功能要求来分别进行分析与设计。１　　　　．可调增益放大器由于从ＡＤ９８５２输出的合成信号的幅度比较小，不能满足系统对输出波形　　　　　　　　北京理工大学硕士学位论文幅度的要求，因此需先经过运算放大器放大之后，再送到后级作进一步的处理。为保证在１Ｈｚ－３０ＭＨｚ内稳幅输出，特选用ＢＢ公司生产的ＯＰＡ２６５８宽带运算放大器。ＯＰＡ２６５８是一种宽带、低功耗、电流反馈型双运算放大器。它的单位增益　　　　带宽积为８００ＭＨｚ，功耗为５０ｍＷ／Ｃｈａｐ，其电流反馈型设计使它可以在高增益的条件下保持宽带特性。由于在设计程控增益放大器时还需要一个宽带放大器，而ＯＰＡ２６５８恰好是一个双运算放大器，因此设计时非常方便，也有利于提高电路的稳定性。放大电路主要可分为两种：同相放大电路和反相放大电路。考虑到提高输　　　　入阻抗等原因，设计中选用了同相放大电路。如图４－５所示，ＡＤ９８５２的合成信号由工ＯＵＴ１引脚输出，送到ＯＰＡ２６５８的同相输入端，经放大后从ＯＵＴＡ端输出。电路中用电位器代替了反馈电阻，通过调整电位器的阻值，改变反馈电阻的大小，使输出信号可在一定范围内（ｌ　ＯｄＢ　）连续可调，再通过设置程控增益放大器的倍数，使调整范围可按ｌＯｄＢ步进，最终达到系统设计要求。图４一５可调增益放大器北京理工大学硕士学位论文２．程控增益放大器程控增益放大器的基本形式是由运算放大器和模拟开关控制的电阻网络　　　　组成，其基本原理如图４－６所示。模拟开关由数字编码控制，而数字编码可用数字硬件电路实现，也可用计算机硬件根据需要来控制。由图４－６可知放大器增益Ｇ＝ＷＵ；＾　Ｒｒｉ／Ｒｊ。电路通过数字编码控制模拟开关切换不同的增益电阻，从而实现放大器增益的软件控制。图４－６程控增益放大器原理数字程控放大器完成信号幅值大小的调整。为了减小信号的失真度，数字　　　　程控放大器应采用宽带直流放大器，在本次设计中使用放大器ＯＰＡ２６５８。根据程控增益放大器的基本原理，实现可控增益有以下几种方法：１）运放＋模拟开关＋电阻网络　　　　最简单的实现方法是基于上述基本原理实现的程控增益放大器。该电　　　　　　　　路由运算放大器、模拟开关、数据锁存器和一个电阻网络组成。利用模拟　　　　开关切换电阻反馈网络，从而改变增益，其特点是可通过选用精密测量电　　　　阻和高性能模拟开关组成精密程控增益放大器，并且随着半导体集成电路　　　　的发展，己有许多半导体器件厂家将模拟电路和数字电路集成在一起，推　　　　出了单片集成数字程控的增益放大器，例如ＢＢ公司的ＰＧＡ系列产品　　　　Ｐ　　　　ＧＡ１０１，　ＰＧＡ２０２，　ＰＧＡ２０３等。它们具有低漂移、低非线性、高共模抑制比等优点，使用简单方便。　　　　北京理工大学硕士学位论文但这种方法设计的程控增益放大器缺点在于增益量程有限，无法满足　　　　在宽带条件下保持高增益的设计要求，且增益精度容易受到电阻变化影响，或者受模拟开关导通电阻的影响，漂移较大，输入阻抗不高，精度受到限制。２）运放＋数字电位器数字电位器是一种具有数字接口的有源器件，可以很方便的与单片机　　　　接口来精确调整其阻值。它具有耐冲击、抗振动、噪音小、使用寿命长等优点，更重要的是它可以代替电路中的机械电位器，容易实现控制自动化和操作上的智能化。在微处理器控制系统中，利用它与运放构成程控增益放大器，其特点是它不仅能实现量程多级变化，实现高的增益分辨率，而且线简单。上的分析，我采用数模转换器ＤＡＣ来实现程控增益放大，这种方法也是基于运放＋数字电位器的原理，是一种增益精度高、线性度好，并且很容易实现与计算机接口的一种放大电路。它是根据ＤＡＣ的电路中含有电阻网络和数码控制的模拟开关，用它代替运放反馈部件，与运算放大器一起可组成程控增益放大／衰减器，再配合软件判断功能，就可实现数据采集系统的自动切换量程，其电路原理图如图４－７所示。土下＋１５ｖ图４－７　　　　　ＡＤ７５２０程控增益放大／衰减电路图北京理＿Ｌ大学硕士学位论文ＡＤ７５２０是Ｉ　　　　ＮＴＥＲＳＴＬ公司生产的高精度单片集成Ｄ／Ａ转换器，分辨率为１０位，由高稳定的Ｒ－２Ｒ梯形薄膜电阻网络和ＮＭＯＳ　ＳＰＤＴ开关组成基本的转换电路，其结构框图如图４－８所示。１０位二进制数字量控制１０位模拟开关，将基准电压切入电阻译码网络，形成与数字量成正比的模拟电压和电流，然后经求和运算放大器转换成模拟电压输出。，ａｋｕ　　　　　　Ｉ公口，ｕ七１图４－８　　　　ＡＤ７５２０结构框图从图４－７可以看出，由可调增益放大器ＩＯＵＴ１端输出的信号从ＡＤ７５２０　　　　的参考源输入端输入，将运算放大器ＯＰＡ２６５８的另一个输出端工ＯＵＴ２接至ＡＤ７５２０的Ｒ。端时，该电路就是一个可由数字控制的衰减器电路，其衰减量由十位二进制数Ｄ；决定。随着Ｄ，的不同，接入电路的电阻网络也相应不同，从而改变放大器的增益。输出电压的表达式推导如下：将　　　　ＶＲＦＥ＿竺．‘Ｉ　ＲＥＦ＝ＲＲ代入Ｉｏ，＝Ｉ．　（Ｄ，　２一，＋Ｄ２２一，＋…＋Ｄ，ｏ２一，。）通过运算放大器将输入电流转换成电压输出，得Ｖ。　　　　　　　　。。一Ｖ、（Ｄ｝２一’＋Ｄ２２一，＋…＋Ｄ．。２一’。）单片机ＰＩ　　　　Ｃ１６Ｆ８７７的８位数据ＤＯ－Ｄ７经锁存器后与低两位数据ＲＡ４和ＲＡ５共同组成１０位数字量Ｄ，，控制衰减器的衰减量，并将信号频率分成几个区间，通过分析信号频率所在区间的位置，利用软件适当调整Ｄｉ北京理工大学硕十学位论文的大小，使输出信号在一定频率范围内保证幅频特性曲线平坦。当信号频率比较高时，信号本身的衰减就比较大，这时就应将Ｄ；调小，使得实际输出的衰减量与信号本身的衰减量相加等于理论上需要输出的衰减量；当信号频率比较小时，可忽略信号本身的衰减，实际输出的衰减量就等于理论值。利用这种通过软件进行误差校正的方法，可以达到改善系统频率特性的目的。北京理工大学硕士学位论文第五章软件设计与实现５．１软件设计思想５．２软件基本结构国外某公司在宣传自己的产品时提出“软件就是仪器”（　　　　Ｔｈｅ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｔｈｅＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）。这种说法虽然有些偏颇，但是充分地说明了软件在仪器设计中的地位何等重要。软件的质量对仪器的功能、性能指标及操作有很大的影响。研制一台复杂的仪器，其软件编制工作往往大于硬件。随着仪器功能越来越多，结构越来越复杂，对程序的质量要求也越来越高。下面就对本课题的软件设计作一介绍。本课题的软件设计采用结构化程序设计思想，在总体设计中采用“自顶而下”　　　　的方法，在程序设计中采用模块化编程。自顶而下的设计方法就是先考虑整体目标，明确整体任务，然后把整体任务　　　　分成一个个子任务，子任务再分成子子任务，这样逐层细分，同时分析各层次间及同一层次各任务间的关系，最后拟定各任务的细节。这样，无论整个仪器的功能多么复杂，都可以分成若干个易解决的模块。对每个程序模块都规定了它的功能，明确了输入和输出。将这些程序模块连　　　　接起来后，就构成了整体的程序流程图。编程时采用模块化的编程方法，每个模块是一个结构完整、相对独立的程序　　　　段。这些程序可以任意调用、修改，这样，使整个程序结构清晰，组合灵活，维护调试方便。程序设计是采用自顶而下的方法，而在具体的编程时则采用了自底而上的方　　　　法，即从最低层的模块开始编程，然后编制上一层模块的程序，直至最后完成。这样，每编完一层，便可调试，待到最顶层的模块编好并调试完成后，整个程序设计也完成了。实践证明，这种方法可以大大减少反复调试的次数，提高程序调试的效率。根据各部分功能要求，整个系统的软件程序由监控程序，测量控制程序和数　　　　据处理程序组成。其程序流程图如图５－１所示。３７　　　　　　　　　　　　北京理工大学硕十学位论文图５一１　　　　ＤＤＳ系统软件程序流程图１．监控程序：监控程序是软件中的主线，它调用各模块，并将它们联系　　　　起来，形成一个有机的整体，从而实现对仪器的全部管理功能。其程序的基本结构为：１）初始化程序：实现对单片机及ＡＤ９８５２的初始化，对各个使用的寄存　　　　器分别进行复位和置位，使信号发生器工作于初始状态，为接收外部控制命令做好准备。２）键盘扫描与解释程序：通过对键盘的扫描和键值的解释，按用户的键　　　　５．３监控程序北京理工大学硕十学位论文入命令转入相应的服务程序。２．数据处理程序：将用户输入的频率值转换成相应的频率控制字，写入　　　　ＡＤ９８５２，并根据输出信号频率的大小，对可控增益放大器的增益进行适当调整，通过误差校正，改善电路的幅频特性。３．测量控制程序：用于完成测量以及测量过程的控制程序。主要功能包　　　　括对ＡＤ９８５２进行控制，按照ＡＤ９８５２的写时序对各个寄存器赋值，实现数字调制等功能，使其正常工作，输出所需的信号。同时控制可控增益放大器的增益。这些功能由若干个程序模块实现，供监控程序调用。监控程序主要由初始化程序和键盘扫描与解释程序组成。初始化程序主要对　　　　单片机的各个寄存器赋初值，通过对与１／Ｄ口相对应的各个方向寄存器置位或复／ｏ口工作在输入或输出状态；清标志寄存器和键值存储器，设置各个功能寄存器，为键盘扫描做准备；设置中断程序入口等等。键盘扫描程序的基本任务主要为监测有无键按下，并判断是哪个键按下。其　　　　具体实现方法在第四章介绍单片机控制电路时已作了详细介绍，在此就不重述了，图５一２为键盘扫描程序流程图。下面主要介绍键盘解释程序。图５一２键盘扫描程序流程图位，使需要使用的工北京理工大学硕士学位论文单片机从键盘接口获得键值后究竟执行什么操作，完全取决于键盘解释程序。　　　　同样一种键盘接口用在不同的仪器中可以完成全然不同的功能，根本的原因就是在每个仪表系统中都有它自己的一套分析和解释键盘的程序。根据按键的功能可分为两类：单定义键和多定义键。单定义键的含义是固定的，多定义键的含义是多重的，即同一个键在不同操作状态之下，具有不同的指定功能，即ＣＰＵ执行完成不同任务的程序。所谓操作状态，指进行该键操作之前，操作了哪个或哪几个键。对于单定义键或多定义键均需设计键盘监控管理程序，其设计质量的好坏直接影响仪器操作功能的灵活性、可靠性及完善程度。常用的键盘监控程序设计方法有直接分析法和状态矩阵法。由于直接分析法　　　　设计思路简单而直观，并且对于多定义键，若用直接分析法设计键盘监控程序，往往会因命令的识别与处理子程序的执行相互交织而存在许多矛盾，不易修改与扩展。为此，需采用状态矩阵法。状态矩阵法的基本思想是把键盘监控程序看作一个系统。按键作为系统的输　　　　入，要执行的子程序作为系统的输出。任一时刻系统的状态是唯一确定的，称其为现态。系统要执行的子程序取决于系统输入的按键键值与系统的现态值，执行完该子程序使系统进入新的状态，称其为下态。因而，即使是同一按键操作，只要在不同状态下按下，也可执行不同子程序。显然，这是解决多定义键的键盘监控程序设计问题的良策。将单片机的所有按键序列的所有状态（现态和下态）、相应子程序编号及键值　　　　列写成一个表格，称之为状态表。它是监控程序的核心，表５－１即为设定的状态表。表５一１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　控制状态表现态按键下态子程序编号键值功１１＃Ａ０育Ｇｅ２２＃Ｂ键３３＃Ｃ４４＃Ｄ北京理工大学硕士学位论文数０，　１，　２１字１５＃３，　４，　５键７，　８，　９功５６＃１２育１Ｇ１６７＃２键功７８＃１３育旨８９材２键９１０＃３功４１１＃１４能４１２＃２键５功能键０１３＃Ｅ６功能键０１３＃Ｅ７功能键０１３＃Ｅ８功能键０１３＃Ｇ９功能键０１３＃Ｅ各子程序功能如下：　　　　１＃　　　　输入所需信号频率２＃　　　　选择输出波形３＃　　　　数字信号调制４＃　　　　控制可控增益放大器的衰减量５＃　　　　按照一定的格式接收输入频率字，转换成相应的频率控制字后，写入ＡＤ９８５２，产生需要的信号。６＃　　　　输出正弦波波形７＃　　　　输出方波波形８＃　　　　线性ＦＭ调制９＃　　　　　　　　ＦＳＫ调制北京理工大学硕十学位论文１０＃　　　　　　　ＰＳＫ调制１１＃增加２０ｄＢ的衰减　　　　１２＃减小２０ｄＢ的衰减　　　　１　　　　３＃跳出相应的操作模式，返回初始状态从以上的分析可以看出，按键复用次数越多，键盘监控程序设计任务越复杂，　　　　５．４数据处理程序则采用状态矩阵法之效率越高。若需改变或增加信号源的功能，只需修改状态表即可，无需重写监控程序。数据处理程序主要包括两部分内容，一个是将用户输入的频率值转换成十六　　　　进制的ＡＤ９８５２的频率控制字，称为频率字转换子程序：另一个是根据输出频率的大小，进行误差校正的程序，称为输出幅度补偿程序。　　　　１．频率字转换程序当用户想产生自己所需的频率时，应先按下功能键＂Ａ󰀀，表示准备输入　　　　　　　　频率值。由于本ＤＤＳ系统的最大输出频率为３０ＭＨｚ，因此按十进制计算，任一　　　　频率均可用８位十进制数来表示，为简化程序，故统一规定所有输入频率值　　　　必须均为８位十进制数。例如，欲产生３０ＭＨｚ信号应按顺序输入３０００，　　　　　００００这８个数字，若要产生１　　　　Ｈ：信号应输入００００，　０００１，依此类推。由于输入的是十进制频率值，而非ＡＤ９８５２所需的十六进制频率控制字，　　　　　　　　因此就需要作相应的转换，这就是频率字转换程序完成的功能。根据下面的　　　　公式，可以得到十进制频率控制字：　　　　ＦＴＷ＝这里ＦＴＷ表示十进制频率控制字（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　　　　　Ｔｕｎｉｎｇ　Ｗｏｒｄ），　Ｆ。表示所需的十进制输出频率，Ｎ表示相位累加器的位数，在这里为４８，　Ｆ。为时钟频率，在这里为１００ＭＨｚ。这样，在Ｎ，　Ｆ。均己确定的情况下，只要给定一个Ｆｏ，就可以得到一个ＦＴＷ，再将ＦＴＷ转换成相应的十六进制频率控制字，就实现了频率字的转换。根据公式可以看出，如果直接按照公式进行计算，得到十六进制的ＦＴＷ，　　　　北京理工大学硕士学位论文则计算过程将十分繁琐，不易编程实现。因此，可采用一种间接的方法，先将各个位上所对应的权算出来，即１Ｈｚ，　１０Ｈ，……，ＩＯＭＨｚ所对应的十六进制频率控制字预先算出，然后再把用户输入的８位数字分别与它们所对应的权相乘，最后再相加，就得到了最终的转换结果。可用下面的公式表示。ＦＴＷ＝ｄｏ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｋｏ＋ｄｉＫｉ＋ｄ２Ｋ２＋ｄ３Ｋｉ＋ｄ４Ｋ４＋ｄ５Ｋ５＋ｄｂＫｃ＋ｄ，Ｋ７其中，ｄｏ　　　　－ｄ？为用户输入的８位数字，Ｋｏ－Ｋｉ为各个位所对应的权值。２．输出幅度补偿程序当信号频率升高时，感应电感和电容对电路的影响越来越大，造成高频　　　　信号不可避免的输出衰减，同时由仪器内部基准、放大器的零点漂移、增益漂移、非线性等产生的误差也将造成频率特性变差，这一切都需要进行误差补偿。由于系统误差有规律可循，因此可以利用一定的算法进行校准或补偿。单片机可以将系统误差模型及校正算式存储在内部的ＲＯＭ中，对数据进行系统误差修正。为此，必须首先研究误差的规律，建立系统误差的数学模型，确定校正算法和数学表达式。如图５－３幅频特性曲线中的实线所示，从某一个频率点起，输出幅度开　　　　始变小，并随着频率的升高，幅频特性曲线越来越弯曲，偏离低频时的直线幅频特性越来越大。幅ｆ。频率图５－３幅频特性曲线５．５测量控制程序北京理＿Ｌ大学硕士学位论文为了减小误差，可采用线性插值法进行修正。线性插值是从一组数据　　　　（ｘ，Ｙ）中选取两个代表性的（ｘ。，Ｙ。）、（ｘ，．Ｙ，），然后根据插值原理，求出插值方程Ｐｎ　（ｘ）：二一ｘ一ｘ１　　　　Ｘ。一Ｘ．二一竺二厂ｙ１二ｘ一ｘ０ｕ　　　　　　　　　　Ｉｘ０ａ１ｘ＋ａ０中的待定系数ａ，和ａ󰀀ａ，＝ａ。二Ｙ。一ａｌ｝ｏｘ若（　　　　　　　　　　Ｘａ，Ｙｏ）、（ｘｌ　｝Ｙｌ）取在非线性特性曲线ｆ　（ｘ）或数组的两端点Ａ，Ｂ，如图５－３所示，图中虚线表示插值方程。这种线性插值就是最常用的直　　　　　　　　线方程校正法。　　　　　　　　在实际设计中，可先设定输出幅值，然后在某些特定的频率点上测出它　　　　　　　　　　　　们的输出电平幅度，采用逐点描迹的方法绘出频率特性曲线，再选出两个具　　　　　　　　有代表性的数据，根据以上方法求出补偿方程，把它存在程序中。当输出信　　　　　　　　号频率一定时，根据补偿方程求出需要补偿的数值，在设定的数值上再加上　　　　　　　　补偿量作为最终的数据，控制衰减器的输出，从而达到改善系统频率特性的　　　　　　　　目的。　　　　　　　　第二章中对ＤＤＳ芯片ＡＤ９　　　　８５２的硬件部分作了介绍，但并未说明如何对其进行编程，测量控制程序的主要功能就是按照ＡＤ９８５２的要求写入程序，使其正常工作，产生最终的合成信号。若要正确的控制ＡＤ９８５２，必须选择合适的工作模式，并了解ＡＤ９８５２的工作时序。下面就对这部分内容加以介绍。北京理＿Ｌ大学硕士学位论文　　　　１．　　ＡＤ９８５２的工作模式ＡＤ９８５２有五种可编程的工作模式：ＳＩＮＧＬＥ－ＴＯＮＥ，　　　　　ＵＮＲＡＭＰＥＤ　ＦＳＫ，　ＲＡＭＰＥＤ　ＦＳＫ，ＣＨＩＲＰ，　ＢＰＳＫ。通过控制寄存器（并行地址１Ｆ）中的三位进行模式选择。表５－２为ＡＤ９８５２的工作模式选择表。表５一２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＡＤ９８５２的工作模式选择模式位２０００模式位１００１模式位００工作模式ＳＩＮＧＬＥ－ＴＯＮＥＦＳＫ１０１０ＲＡＭＰＥＤ　　ＦＳＫＣＨＩＲＰＢＰＳＫ０１１０在每种模式下所能实现的功能是各不相同的，有些功能只能在特定的模式下　　　　才能实现，下面就对本次设计中主要用到的工作模式加以介绍。　　　　１）　　ＳＩＮＧＬＥ－ＴＯＮＥ模式：上电复位后的默认模式就是ＳＩＮＧＬＥ－ＴＯＮＥ模式，频率控制字寄存器的默认值为零，定义一个安全的无输出状态，产生ＯＨｚ，　０相位的输出信号。用户可控制４８位分辨率的输出频率，１２位分辨率的输出振幅和１４位分辨率的输出相位，所有这些参数均可通过１００ＭＨｚ波特率的并口，或ｌ　ＯＭＨｚ波特率的串口编程改变或调制，实现ＦＭ，　ＡＭ，　ＰＭ，　ＦＳＫ，　ＰＳＫ等操作。在本次设计中，主要在这种模式下产生所需的单一频率信号，图５－４显示了从默认状态到输出用户所需频率的转换过程。图５－４默认状态到输出用户所需频率的转换过程图北京理工大学硕士学位论文２）　　　　　　ＵＮＲＡＭＰＥＤ　ＦＳＫ模式：当选择此模式后，ＤＤＳ的输出频率是频率控制字１．频率控制字２和ＦＳＫ输入信号所确定的一个函数。ＦＳＫ输入端（第２９引脚）为逻辑＂０”时，选择频率控制字１　（Ｆ１），为逻辑“１”时，选择频率控制字２　（Ｆ２）．这种模式下，频率变化的相位是连续的。在本次设计中，主要在此模式下实现ＦＳＫ调制。图５－５为ＦＳＫ调制的示意图。ＦＳＫ　ＮＡ，跳（ＰＩＮ　２１）图５－５　　　　　ＦＳＫ调制示意图３）　　　　　　ＲＡＭＰＥＤ　ＦＳＫ模式：在这种模式下，与ＵＮＲＡＭＰＥＤ　ＦＳＫ模式最大的不同点是频率从Ｆ１到Ｆ２的变化不是瞬间的，而是在线性频率扫描下进行。这种工作方式的主要优点是可节省带宽。４）　　　　　ＣＨ工ＲＰ模式：这种方法也称为线性调频。大多数线性调频系统采用线性ＦＭ扫频模式，但ＡＤ９８５２支持非线性模式。图５－６显示了非线性调频是如何利用改变跳频时间间隔和频率间隔的方法来实现不同斜率的调频的。图５－６非线性调频示意图北京理工大学硕十学位论文在整个频率范围内，ＡＤ９８５２既可实现精确的、内部产生的线性调频，又可实　　　　现外部可编程的脉冲或连续调频。对于调频的持续时间、频率分辨率以及扫频方向等参数，均可由用户通过编程进行控制。图５－７为线性调频的各部分方框图。图５－７线性调频各部分方框图在本次设计中，主要在此模式下实现线性调频。具体编程步骤如下：　　　　Ａ）将起始频率写入频率控制字寄存器１（并行寄存器地址４一９ｈｅｘ）　　　　Ｂ）将跳频频率间隔写入４８位频率增量寄存器（并行寄存器地址１　　　　０－１５ｈｅｘ）ｏ这个频率增量寄存器的值采用补码形式，其最高位的值表示跳频的方向。为“１＂时表示反向跳频，为，＂０”时表示正向跳频。Ｃ将跳频时间间隔写入２０位斜率时钟寄存器（并行寄存器地址Ｉ　　　　Ａ－１Ｃｈｅｘ）　ｏＤ）当整个编程完成之后，从２０引脚输入更新时钟执行程序。　　　　２９引脚具有保持功能，它只有在此模式下才能实现这种功能。当此引脚为高　　　　电平时，斜率时钟寄存器将停止计数，输出信号保持在当前的频率上。当此引脚变为低电平时，时钟重新开始工作，线性调频继续执行。在保持状态下，用户可重新对各个寄存器进行编程，但斜率时钟寄存器将继续先前的操作，直到计数值为０后，新的计数值才能够载入寄存器中。５）　　　　　　ＢＰＳＫ模式：二进制、双相或双极性的相移键控是一种在两个预先编程的１４位相位偏置寄存器之间快速选择的方法，它将影响ＡＤ９８５２的工和Ｑ输出。２９脚的逻辑值可控制相位调谐１，　２０　２９脚为低时，选择相位调谐寄存器１，为高时，选择相位调谐寄存器２。在本次设计中，主要在此模式下实现ＰＳＫ调制。北京理－Ｌ人学硕士学位论文２．　　　　　　ＡＤ９８５２的工作时序ＡＤ９８５２支持８位并行Ｉ　　　　／０操作和与ＳＰＩ兼容的串行Ｉ／０操作，所有的寄存器均可在每种Ｉ／０模式下写入和读出。第７０引脚用于选择工／／０操作模式，接高电平时表示系统使用并行编程模式，接低电平时表示使用串行编程模式。无论选择哪种模式，只有在写入缓冲存储器的工／　　　　／０端口数据传入寄存器页面后才能执行相应的操作。控制ＡＤ９８５２工作时，首先要将频率控制字，选择工作模式，及各种功能命令字写入ＡＤ９８５２的寄存器内，然后由外部或内部（可编程设置）的更新时钟，将控制字，命令字送入ＡＤ９８５２的ＤＤＳ核心执行。ＡＤ９８５２内部的３９个８位寄存器可分为１　　　　２部分：相位控制字寄存器１和２各占２字节，频率控制字寄存器１和２各占６字节，频率增量寄存器占６字节，更新时钟寄存器为４字节，斜率时钟寄存器为３字节，控制寄存器为４字节，其余的输出幅度键控寄存器、输出幅度键控斜率寄存器和控制ＤＡＣ寄存器各占２字节。当ＳＯ　　　　　ＳＥＬＥＣＴ引脚接高电平时，并行Ｉ／０模式有效。此时Ｉ／０端口与ＤＳＰ和单片机的工业标准兼容，６根地址线、８根双向数据线和分离的读写控制输入线组成所有工／０端口引脚。图５－８和图５－９分别是ＡＤ９８５２在并行输入方式下的读写时序图。几＜ｓｍ月ｋ７刃，ＴＡＯ！卜ＯＬＯＶＴＡＲＯ一１Ｔ　　　　ＡＤＹ　ＩＳＰＥＣ　ＩＦＩＣＡＴ幻ＨＶＡＬＵＥ　　　　Ｉ孙ａ　　　　白１．　　　　　　Ｈｓ．舀　　　　　　口〔‘Ｃ日，了旧ｘＡＤＤ翻韶Ｂ协吐往枯ＬＩＤ　Ｔ佃Ｅ　（ＭＡＸＰＡＬＭ）ＡＤＤＲＥＳＳ　ＨＯＬＤ妇〔祀叨ＳＭＩＬ　ＩＡＩ．＇＇Ｓｙｎ托（ｒｍｍｍｕｍ）ＲＤＬＯＷＴＤＤＵＴＶＤＴＹＡＵＤ吸ＡＭＯＨＩＲＳ：ｍＤＡＴＡ　ＴＨＲＥＥ－ＳＴＡＴＥ侧ＡＸＩＰｋＩ哪峋Ｈ加舀　　　　图５一８ＡＤ９８５２并行输入读时序图北京理工大学硕士学位论文朴』朴、、｝７ｎ．』ＤＥＳＣＲＩＰＴＩＯＮＴＡＳＵＡＤＤＲＥＳＳ　ＳＥＴＵＰ　ＴＷＥ　ＴＯ钾目创Ｇｒｓｉｔ　ＡＣＴＩＶＥＴＤＳＩＩＤＡＴＡ　ＳＥＴＵＰ　７绷Ｅ　ＴＯ田翻ＳＩＧＮＡＬ　ＡＣＴＩＶＥ、。目ＡＤＤＲＥＳＳ　ＨＯＬＤ下翻ＥＴＯ有目曰ＧＮＡＬ　ＩＮＡＣＴＩＶＥＴＤＮＤＤＡＴＡ　ＨＯＬＤ　ＴＭ　ＴＯ明翻目ＧＮＡＬＩＮＡＣＴＭＥＴＷ　ｐｌｐ　Ｗ和月ＭＧＮＩ吐ＭＩＮＩＭＵＭ　ＬＯＷ丽臼ＥＴＷＲＨＩＧＨ翻月翻‘阳吐朋州翻Ｕ翻日摇Ｈ们日王下．ｎ曰叨ＳＩＧＮＡＬ日ＢＳ翻Ｕ从ＰＥＲＩＯＤ图５－９ＡＤ９８５２并行输入写时序图直ｃｓ：０＞Ｄ－７０ｒ北京理工大学硕士学位论文第六章系统整体调试及测试结果ＤＤＳ信号发生器的器件安装完毕后，需要进行调试，排除软件和硬件的故障，使研制的仪器符合设计要求。６．１调试的方法系统调试包括硬件调试、软件调试和整体调试，调试的流程如图６－１所示。图６－１系统调试流程图北京理工大学硕士学位论文硬件和软件的研制是互相独立的平行进行，也就是说，软件调试是在硬件完　　　　成之前，硬件也是在无完整的软件情况下进行调试。它们需要借助另外的工具提供调试环境。硬件和软件分调完毕后，还要在整个系统上进行软件和硬件的联调。在调试中找出问题，判断故障源，修改硬、软件。反复进行这一过程，直至没有错误为止。６．２硬件静态调试６．３软件调试系统进行调试时，首先要对硬件进行静态调试，静态调试的目的是排除明显　　　　的硬件故障。集成电路器件未插入电路板之前，必须用万用表仔细检查线路，查看连线是　　　　否连接正常，防止电源短路，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其他信号线的短路。在排除所有的错误后，接上电源，并用万用表测量加在各集成电路芯片插座上的电压、极性是否正确，特别要注意单片机插座的各点电位，若电压过高，与仿真器联机调试时，将会损坏仿真器的器件。插入集成电路芯片的操作必须在断电的情况下进行，特别要注意芯片的方向，　　　　不要插反。通电后如果发现某器件太热或冒烟，必须马上断电，重新检查。为了慎重起见，可以分批地插入器件，避免大面积地损坏器件。通电后，可用示波器检查时钟信号、脉冲信号及噪声电平，还可以用万用表　　　　测量元件的工作状态。如果发现异常，应重新检查线路，直至符合要求，才算完成静态调试。程序编制时，用户通过开发系统的键盘、显示器及开发系统的编辑软件，按　　　　照所要求的格式、语法规定，把源程序输入到开发系统中。在开发系统机上，利用汇编软件对输入的用户源程序进行汇编，变为可执行的目标代码。在汇编过程中，如果用户源程序有语法错误，可返回第一步进行修改，再进行汇编，直至语法错误全部纠正为止。调试软件可以利用软件模拟开发系统。模拟开发系统是在计算机上利用模拟　　　　６．４动态在线调试北京理工大学硕士学位论文软件实现对单片机的硬件模拟、指令模拟、运行状态模拟，从而完成应用软件开发的全过程。硬件模拟就是计算机内部模拟单片机的功能，虚拟的单片机输入端由通用键盘的按键设定，输出端的状态则显示在指定的窗口区域。在开发软件的支持下．通过指令模拟，可方便的进行编程、单步运行、设断点运行、修改程序等软件调试工作。调试过程中的运行状态、各寄存器状态、端日状态等都可以在指定的窗口区域显示出来，以确定程序运行有无错误。Ｍｉ　　　　ｃｒｏｃｈｉｐ公司为ＰＩＣ系列单片机配备了功能强大的软件集成开发环境ＭＰＬＡＢ，由此软件包提供的ＭＰＬＡＢ　Ｓ工Ｍ软件仿真器允许在以ＰＣ为主机的环境下进行代码开发。它允许用户在指令级的基础上对ＰＩＣ系列单片机进行仿真。对于给定的指令，用户可检查或修正任一数据区，或为任一引脚提供外部激励。输入／输出的数据可由用户设定，命令的执行过程可在三种条件下进行演示：单步执行、到中断发生、或在跟踪调试方式下。由于软件仿真器提供了在低价位的条件下的灵活性，以便在实验室环境之外开发和调试代码，这使得它成为一个很好的复合设计软件开发工具。在静态调试中，对系统的硬件进行初步调试，只是排除了一些明显的静态故　　　　障。系统的软件和硬件密切相关，用户程序也必须在联机后才能调试。在进行在线调试时，必须借助仿真开发工具来开发应用软件，对硬件电路进行诊断、调试。针对Ｐ工　　　　Ｃ系列单片机中具有片内ＦＬＡＳＨ程序存储器的ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ子系列单片机，Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司研制了一套廉价的学习和开发工具套件ＭＰＬＡＢ－ＩＣＤ．ＭＰＬＡＢ一工ＣＤ可以用于实验阶段的评估和辅助调试。它既是一个编程器，又是一个实时在线调试器。用它可以代替在单片机应用项目的开发过程中常用的两件工具—硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ片内集成的在线调试功能和Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ公司的在线串行编程技术，工作于ＭＰＬＡＢ集成开发环境软件包之下，可方便的运行用户编制的程序。ＭＰＬＡＢ－Ｉ　　　　ＣＤ以ＲＳ－２３２串行接口方式与微机系统相连，可从用户的目标板上获取工作电源，能够对源程序直接进行代码级的调试，支持断点设置、在线调试和在线编程等功能。借助于ＭＰＬＡＢ－ＩＣＤ工具套件，用户可以在自己设计的ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ北京理上大学硕士学位论文的应用电路中实时运行和调试自己的源程序，用自己编制的程序来调试和检验自制目标板上的电路，还可以利用在线串行编程技术将自己设计的目标程序烧写到插在目标板上的ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ单片机中。在进行在线动态调试时，将系统的单片机芯片拔掉，用ＭＰＬ　　　　ＡＢ一工ＣＤ提供的仿真头直接连接到目标电路板上，其实际运行工作状态与使用真实的单片机并无明显差别，这就是所谓的“仿真”。由于ＭＰＬＡＢ－ＩＣＤ是在开发环境ＭＰＬＡＢ控制下工作的，因此，可以利用ＭＰＬＡＢ丰富的硬件和软件资源对系统进行研制和调试。ＭＰＬＡＢ一工ＣＤ具有许多功能，可检查和修改单片机中所有的寄存器和ＲＡＭ单元，　　　　能单步、多步或连续地执行目标程序，也可以根据需要设置断点，中断程序的运行，并可用主机系统的存储器和Ｉ／０接口代替单片机系统的存储器和工／／０接口，实现在线调试。系统中的硬件故障〔如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）　　　　主要是靠在线仿真来排除的。另外，用户程序中分为与硬件无联系的程序以及与硬件紧密相连的程序。对于与硬件无联系的用户程序，例如数据处理程序，虽然已经没有语法错误，但可能有逻辑错误，使计算结果不对。这样，必须借助于动态在线调试手段，如单步运行、设置断点等，发现逻辑错误，然后返回到第一步修改，直至逻辑错误纠正为止。对于与用户系统硬件紧密相关的程序，如监控程序和测量控制程序等，一定要与硬件配合，进行动态在线调试，如果有逻辑错误，则返回到第一步进行修改。在调试这一类程序时，硬件调试与软件调试是不能完全分开的。许多硬件错误是通过对软件的调试而发现和纠正的。６．５测试结果本系统设计完成后，经测量各项指标均达到设计要求。从测量情况看，ＤＤＳ　　　　频率合成器的频谱纯度和稳定度比较高。图６－２到图６－７均为实测信号波形。其中图６－２为输出信号频率为４ＫＨｚ时的波形图，图６－３为输出信号频率为３０ＭＨｚ时的波形图，可以看出信号的波形比较好，衰减较小，信号稳定精确。图６－４为ＦＳＫ数字调制波形，图６－５为ＰＳＫ数字调制波形，相位跳变值为　　　　１８００。从图中波形可以看出，相位跳变的瞬时性和准确度非常好，能够实现精确控制相位。图６－６与图６－７分别为线性调频时两个不同时间的瞬时波形。北京理工大学硕士学位论文总结本文详细介绍了直接数字频率合成技术的基本原理和工作特点，并在此基础　　　　上利用波形形成技术、单片机控制技术及增益程控技术，开发设计了一个ＤＤＳ信号发生器。通过对本课题的研究，可以得出以下的结论：１．　　　　　　　　　　ＤＤＳ技术具有许多传统频率合成技术无法比拟的优点，不仅输出频率分辨率高，转换迅速，而且非常易于实现数字程控。因此，在今后的频率合　　　　成领域，ＤＤＳ技术将得到更加快速的发展和越来越广泛的应用。　　　　２．本次设计的ＤＤＳ信号发生器主要利用单片机Ｐ工　　　　　　　　Ｃ１６Ｆ８７７将用户输入的频率数据转换成相应的频率控制字，在正确的写时序下对ＤＤＳ芯片ＡＤ９　　　　８５２进行编程，再经过增益程控，最终得到所需的频率信号。它可以输出正弦波和　　　　方波信号，能够实现ＦＭ，　　　　　ＦＳＫ和ＰＳＫ数字调制，保证输出幅度在３ｍＶ－１Ｖｒｍｓ范围内任意可调，达到了各种技术指标的要求，提高了输出信号的保真度、　　　　稳定性和精确度。　　　　３．针对现代系统设计中软件日益重要的发展趋势，在本次设计中尝试了　　　　　　　　现代仪器仪表的设计方法，把软件作为系统的核心，利用软件代替部分硬件　　　　电路，编制了专门的误差补偿程序，改善了输出幅频特性，并采用了结构化　　　　程序设计思想和方法，为系统今后的功能扩展打下了良好的基础。　　　　４．由于ＤＤＳ系统在输出高频信号时对外界干扰比较敏感，因此抗干扰技　　　　　　　　术是保证整个系统精度和可靠性的重要技术措施，根据电磁兼容的原理，应　　　　用了行之有效的抗干扰措施对系统进行了抗干扰设计。　　　　虽然本次设计已经完成，但还存在一些不足的地方，有待于进一步的完善。　　　　例如，由于时间所限，本次设计的只是整个系统中的核心部分，还不能直接当作一台真正的仪器加以使用，可再添加输出显示电路和一些其他的功能，也可对输入面板作进一步的改进。由于本系统采用了结构化设计方法，因此可以很方便的添加新的功能模块，无需对整个系统结构进行修改。这些问题可留待今后加以解决。北京理一「大学硕十学位论文致谢在本课题研究过程中，我的导师罗伟雄教授尽管本身工作十分繁忙，但仍对　　　　我的设计给以了悉心的指导，解决了我的不少实际困难。罗老师渊博的理论学识，忘我的工作精神，严谨的治学作风以及平易近人的待人态度都给我留下了极为深刻的印象，使我受益匪浅，并将成为我在今后的工作中学习的榜样。在此，谨向两年多来辛勤培养我的罗老师表示深深的敬意和由衷的感谢。另外，本教研室的韩力教授、赵宏图教授以及梁羞老师也给以了我很多的帮　　　　助和指导，特别是李晋炬老师在百忙之中抽出时间对我的设计进行了指正和完善，李老师渊博的电路知识和丰富的实践经验都给我留下了深刻的印象。对于在一起学习生活的各位同学的热心帮助，如鲁溟峰、翟振龙、田茹等同学，在此一并表示深深的感谢。北京理工大学硕士学位论文参考文献［１】徐爱钧．智能化测量控制仪表原理与设计．北京航空航天大学出版社，１９９５［２７张卫平，张英儒编著．现代电子电路原理与设计．原子能出版社，１９９７［３］李志全等编智能仪表设计原理及其应用国防工业出版社，１９９８［４】苏文平编著．新型电子电路应用实例精选．北京航空航天大学出版社，２０００［５】何小艇主编．电子系统设计．浙江大学出版社，２０００［６］孙肖子主编．实用电子电路手册．高等教育出版社，１９９２［７】常新华，林春勋等编．高频信号发生器原理、维修与检定．电子工业出版社，１９９６［８］宋启峰主编．电子测量技术．重庆大学出版社，２００１［９７张学锋，胡长江．功能各异的各种任意波形发生器．国外电子测量技术，２０００［１０７何希才，刘洪梅．新型通用集成电路实用技术国防工业出版社，１９９６．９［１１】胡生清，幸国全．未来的仪器仪表—虚拟仪表．国外电子测量技术，２０００［１２】赵国勋，徐荃安．基于直接数字频率合成的正弦波发生器．自动化与仪表，２０００［１３７薛刚．基于ＤＤＳ技术的任意波发生器．自动化与仪器仪表，２００１［１４】王建和，段传华，洪海丽，方秀花．采用ＤＤＳ技术实现的频率合成信号发生器．电子技术，１　　９９７［１５】刘芳．直接数字频率合成器ＡＤ９８５２及应用．国外电子元器件，２００１［１６７聂祥弈，王自强，高国升．应用ＤＤＳ芯片ＡＤ９８３５开发的一种高精度频率信号发生器．电子技术应用，１　　９９９［１７】赵新民，王祁智能仪器设计基础．哈尔滨工业大学出版社，１９９９［１８】李学海编著．ＰＩＣ单片机实用教程—基础篇北京航空航天大学出版社，２００２［１９】韩力，李晋炬，齐春东编著．ＥＤＡ工具Ｐｒｏｔｅ１９８及其设计应用．北京理工大学出版社，１９９８　　［２０】郑戍华．基于ＤＤＳ的信号源研制．〔学位论文〕．北京理工大学，２００２［２１７王文华几基于ＤＤＳ技术的任意波形发生器研究．［学位论文〕浙江大学，２００２［２２】王成虎．基于ＤＤＳ器件的线形调频信号合成．〔学位论文〕．武汉大学，２００１［２３】杨振江编著．Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ转换器接口技术与实用线路．西安电子科技大学出版社，１９９６　　　　［２４］　Ｍｙｋｅ　Ｐｒｅｄｋ。著，姜汉龙等译．ＰＩＣｍｉｃｒｏ微控制器编程与自主开发．电子＝１北京理１＿大学硕十学位论文业出版社，２００１　　［２５１刘和平等编著．ＰＩＣ１６Ｆ８７Ｘ单片机实用软件与接口技术—汇编语言及其应用．北京航空航天大学出版社，２００２　　［２６］　Ｙｉｈ－Ｃｈｙｕｎ　Ｊｅｎｑ，　Ｆｅｌｌｏｗ．　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｊｉｔｔｅｒｅｄ　Ｃｌｏｃｋ．ＩＥＥＥ　　　　　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ　ＡＮＤ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ，　ＶＯＬ．　４６，　ＮＯ．　３，　ＪＵＮＥ１９９７　　　　［２７］　Ｐ　Ｈ　Ｓａｕｌ．　　Ｄｉｒｅｃｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ－ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄｐｏｔｅｎｔｉａｌ．　　　Ｐｌｅｓｓｅｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃａｓｗｅｌｌ，　Ｕ．Ｋ［２８］　Ａ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｔｕｔｏｒｉａｌ　ｏｎ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．　Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｃ，１９９９　　　　［２９］　Ｊｅｆｆｒｅｙ　Ｈ．　Ｒｅｅｄ，　　Ｂｒｉａｎ　Ｄ．　Ｗｏｅｒｎｅｒ．　　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ．　　Ｔｈｅ　９＂Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　　　　　　　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　　ｏｎ　　Ｐｅｒｓｏｎａｌ，工ｎｄｏｏｒ，　　　ａｎｄ　　Ｍ曲ｉｌｅ　　ＲａｄｉｏＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，　　　　　　１９９８［３０１　ＣＭＯＳ　３００　ＭＳＰＳ　Ｃｏｍｐｌｅｔｅ－ＤＤＳ．　Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｃ，　２００１［３１］２８／４０－ｐｉｎ　８－Ｂｉｔ　　ＣＭＯＳ　ＦＬＡＳＨ　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ　ＰＩＣ１６Ｆ８７７．ＭｉｃｒｏｃｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　　Ｉｎｃ，　　１９９９［３２１　Ｓｔａｎ　Ｄ＇Ｓｏｕｚａ．　Ｆｏｕｒ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｖｏｌｔｍｅｔｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｄｉｓｐｌａｙ　ａｎｄ　Ｋｅｙｂｏａｒｄ，Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ　　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃ，　　１９９７［３３］　Ｖｅｎｃｅｓｌａｖ　Ｆ．Ｋｒｏｕｐａ．　Ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ　ｉｎ　Ｄｉｒｅｃｔ　ＤｉｇｉｔａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙ　　　　　Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒｓ．　　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｒａｄｉｏ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＡｃａｄｅｍｙ　　　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｚｅｃｈ　Ｒｅｐｕｂｌｉｃ　１８２　５１　Ｐｒａｈａ，　Ｃｚｅｃｈ　Ｒｅｐｕｂｌｉｃ［３４１　Ｌａｗｒｅｎｃｅ　Ｊ．Ｋｕｓｈｎｅｒ．　Ｔｈｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ＤＤＳ－Ａ　Ｎｅｗ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｄｉｇｉｔａｌ　ＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ．　　　Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｘｉｎｇｔｏｎ，ＭＡ６１