孫清泉，陳錦濤，饒連周，林永福，曾金頂

(三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,福建三明365004)

基于STC12C5A60S2的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

孫清泉，陳錦濤，饒連周，林永福，曾金頂

(三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,福建三明365004)

研究了一種函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。該信號(hào)發(fā)生器由單片機(jī)STC12C5A60S2、DDS芯片AD9851、以及高頻運(yùn)放AD603等組成，實(shí)現(xiàn)了幅度和頻率可調(diào)的多種波形（三角波、方波、正弦波）輸出的功能。通過實(shí)物制作，其性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

單片機(jī)；AD9851；信號(hào)發(fā)生器

早期的波形發(fā)生器基本都是通過模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，而且輸出波形不穩(wěn)定、輸出頻率低，而采用MAX038[1]和DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的波形發(fā)生器，可以產(chǎn)生各種波形，而且輸出的頻率精度也高，還可以方便調(diào)節(jié)波形的參數(shù)（如頻率、相位、幅度)。特別是由AD9851產(chǎn)生的波形具有精度高，輸出頻率高等優(yōu)點(diǎn)[2-5]。筆者采用AD9851與單片機(jī)STC12C5A60S2結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種頻率和幅度可調(diào)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，并完成了相應(yīng)的軟件和硬件的設(shè)計(jì)。該信號(hào)發(fā)生器具有輸出頻率高、體積小巧、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)STC12C5A60S2、DDS芯片AD9851、液晶LCD12864、模擬開關(guān)、積分電路、放大電路和4*4矩陣按鍵這幾部分組成。其中單片機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制；按鍵作為菜單控制的選擇按鈕；AD9851負(fù)責(zé)產(chǎn)生波形；LCD12864負(fù)責(zé)顯示；積分電路用于生成三角波；模擬開關(guān)用于選通輸出波形的形式；放大電路用于幅度的調(diào)節(jié)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 DDS芯片AD9851的簡介

AD9851是美國AD公司生產(chǎn)的DDS芯片。DDS具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出頻率高等優(yōu)點(diǎn)。AD9851主要由倍頻器、數(shù)據(jù)輸入寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器等幾部分組成，輸出頻率可達(dá)到70 MHz[5]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 單片機(jī)與AD9851的接口電路設(shè)計(jì)

通過單片機(jī)STC12C5A60S2控制AD9851產(chǎn)生穩(wěn)定的方波和正弦波，再通過積分電路、程控放大電路等實(shí)現(xiàn)幅度和相位的調(diào)節(jié)以及三角波、鋸齒波、斜波等的生成。

單片機(jī)的P2.0-P2.7口接到AD9851模塊的D0-D7口，作為數(shù)據(jù)傳輸接口。P3.4作為AD9851的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率輸出，P3.5接FQ_UD引腳，用于數(shù)據(jù)更新位，P3.6控制DDS內(nèi)部DAC的輸出電流。輸出信號(hào)有兩路，分別為0-70 MHz的正弦波sine和方波信號(hào)square1、square2，這些信號(hào)再通過信號(hào)處理電路處理后，即可輸出所需求的信號(hào)。電路圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)與AD9851模塊的接口電路圖

2.3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

AD9851的輸出頻率能達(dá)到70MHz，為了能在后級(jí)輸出比較高的頻率，使用高帶寬的AD603放大器，該芯片的帶寬可以達(dá)到90MHz，能夠滿足設(shè)計(jì)要求[6]。U3是一種雙四選一模擬開關(guān)芯片TC4052，開關(guān)控制引腳由單片機(jī)U4的P0.4和P0.5來控制。

信號(hào)處理電路中，U3的1腳、2腳和U1的3腳分別接AD9851產(chǎn)生的正弦波sine，square 1和square 2。U1積分電路所產(chǎn)生的三角波由7腳輸出送U3的5腳。U3的3腳輸出信號(hào)送程控放大電路AD603的3腳信號(hào)輸入端。通過單片機(jī)U4的P3.7輸出PWM信號(hào)去控制AD603的放大倍數(shù)，放大后的信號(hào)再由信號(hào)輸出端輸出。信號(hào)處理電路如圖3所示。

2.4 鍵盤與顯示接口電路的設(shè)計(jì)

4×4矩陣鍵盤的K0-K7分別接單片機(jī)的P1.0-P1.7口，12864液晶的數(shù)據(jù)口接單片機(jī)的P0.0-P0.3口（由于I/O口不夠用，所以采用四線驅(qū)動(dòng)，四線驅(qū)動(dòng)就是液晶數(shù)據(jù)線只接低4位，程序里面先發(fā)送一次8位數(shù)據(jù)，取出低4位移到高4位，然后再發(fā)送一次8位數(shù)據(jù)，取出低4位，與之前的高4位相或，即可完成8位數(shù)據(jù)的傳輸），RS接單片機(jī)的P3.0，R/W接單片機(jī)的P3.1，EN接單片機(jī)的P3.2。輸出波形的各項(xiàng)參數(shù)及波形圖可以直接在液晶上顯示出來。液晶及鍵盤電路圖如圖4所示。4*4距陣鍵盤功能圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總流程圖

控制菜單主要通過4*4距陣按鍵實(shí)現(xiàn)，其16個(gè)按鈕分別控制0-9、正弦波、方波、三角波、上一頁、下一頁、主菜單這幾個(gè)功能（見圖5），具體的系統(tǒng)總流程圖如圖6所示。

圖3 信號(hào)處理電路圖

圖4 液晶及鍵盤電路

圖5 鍵盤功能圖

圖6 系統(tǒng)總流程圖

3.2 頻率設(shè)置子程序的設(shè)計(jì)

設(shè)置頻率的時(shí)候先復(fù)位一下AD9851，然后向其寫入頻率設(shè)置命令，再調(diào)用鍵盤掃描程序輸入頻率值，完成頻率的設(shè)置，最后輸出所設(shè)置的頻率值,見圖7。

圖7 頻率設(shè)置子程序流程圖

4 結(jié)論

采用先進(jìn)的DDS芯片AD9851、單片機(jī)STC12C5A60S2以及高帶寬的AD603放大器，完成了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了頻率和幅度可調(diào)的多種信號(hào)（正弦波、方波、三角波）的輸出。通過硬件調(diào)試，輸出波形最高頻率可達(dá)50 MHz，但在高頻率段存在一定的相位噪聲和雜散信號(hào)。該信號(hào)發(fā)生器使用方便快捷，外觀小巧，性能優(yōu)越，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

[1]袁放成.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].三明學(xué)院學(xué)報(bào),2007,24(2)：146-151.

[2]陳小橋,黃恩民,張雪濱,等.基于單片機(jī)與AD9851的信號(hào)發(fā)生器[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(8)：98-102.

[3]尚建榮.基于DDS的程控信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(9)：105-107.

[4]劉昱,史玉玲,柳瑩,等.基于AD9851的正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009,17(7)：14-16.

[5]郭勇,肖明清,譚靖,等.DDS芯片AD9851及其應(yīng)用[J].電子技術(shù),2001,28(2)：54-56.

[6]許正望.可變?cè)鲆娣糯笃鰽D603及其使用[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào).2000,15(3)：33-35.

Design of Function Signal Generator Based on STC12C5A60S2

SUN Qing-quan，CHEN Jin-tao，RAO Lian-zhou，LIN Yong-fu，ZENG Jin-ding
(College of Electromechanical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

A kind of function signal generator is studied in this paper.The signal generator is composed of single chip STC12C5A60S2,DDS chip AD8951,and the high frequency amplifier AD603,which has a variety of waveform(triangle, square wave,sine wave)amplitude and frequency adjustable output function.Through object-making,the performance indexes achieve the design requirement,which has a certain value of application and popularization.

STC12C5A60S2;AD9851;signal generator

TN741

A

1673-4343（2013）04-0043-04

2013-04-25

大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（ZL1216/CS(sj),201211311009,201211311014）;"卓越工程師"教育培養(yǎng)計(jì)劃改革試點(diǎn)項(xiàng)目（SD1108）;三明學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(L1116/Q)

孫清泉，男，山東人，助理實(shí)驗(yàn)師；通訊作者:饒連周，男，福建明溪人，教授。研究方向:光電技術(shù)及自動(dòng)控制。