基于51单片机的波形发生器

摘 要

信号发生器是一种应用广泛的信号源，在多重领域可见其身影，当前阶段，信号合成对于DDS技术的依赖性较
强， DDS技术所设计出来的信号发生器所占据的市场份额相当大。对于集成DDS单芯片而言，其性能的优化离不开半
导体技术高速发展的助力，也正是在半导体技术的推动下，使其功能更加丰富。
　　本论文就是基于单片机实现DDS高频信号发生器的设计，其中的难点就是在通过功能需求寻找硬件并且通过功能
需求编写代码烧录至单片机中实现对应功能。本文首先会简述DDS高频信号发生器设计的基本原理并且阐述每个所用
电子元件的功能，并根据不同电子元件构成的子电路如温度传感器电路、液晶电路、按键电路等及总体功能介绍，
最后实现DDS高频信号发生器的设计。
关键词：STC89C51；DDS高频信号发生器；LCD1602

1 引言

1.1 研究的背景意义
　　信号发生器又称为波形发生器,是应用比较广泛的信号源，很多系统对于信号发生器的依赖性较强，主要为自动
控制系统、自动测量系统、无线电通信系统等等。反思传统信号发生器，模拟电路作为其基本构成单元。此类信号
发生器将电容、电阻、同轴线等作为其振荡回路，从而产生正弦波形。想要完成频率变动的目标，需要发挥机械对
可变元件的驱动作用。但是此类模拟信号发生器应用于信号输出时，所输出的参数的精准性不高，再加上体积大、
能耗高显然不受行业青睐。而对于通过数字电路所构成的信号发生器而言，性能相对理想，但无奈体积依然庞大，
价格也高，所以也不能广泛推广使用。早期，信号发生器主要扮演目标控制系统调试需要的信号源的模拟者角色。
模拟工作的顺利推进离不开场效应管等纯硬件的助力，但是波峰会失真，整体效果不佳。结合波形发生器的设计方
案，可进一步细分为硬件设计法、软件设计法、软硬件结合设计法。其中，硬件设计法即纯硬件设计法的功能非常
简单，波形改变的目标难以达成，同时控制活动也无法灵活进行，毫无智能性可言。而软件设计法开展起来并不复
杂，可灵活改变程序、优化功能，但是对比硬件设计法，无论是波形精度还是响应速度都不占优势。软硬件结合波
形发生器设计方法兼顾了软件设计法以及硬件设计法的优势，性能佳、控制灵活、智能化水平高[2]。
1.2 相关的研究
　　信号合成信号发生器其实是一种测量工具，在20年代随着电子设备的问世，信号合成信号发生器也随之进入到
人们的视线[3]。1932年，英国科研界聚焦新型无线电接收器设备的研究工作。此类无线电接收器的构成相对简单，
即本地振荡器、混频器、音频放大器。针对输入信号、本地振荡器而言，如果两者所处的相位、频率混合保持一致
时，那么表示输出时依托被调制载波准确音频。起初的测试成效非常乐观[4]。但渐渐的意识到，工作固定时间后，
同步接收工作受到本振频率漂移的影响，开展起来困难重重。PLL进化的开端即反馈电路。随后，借鉴1932年法国科
研者所著的论文，英国科研者完成了此类反馈系统的开发工作，至此，锁相频率合成技术迎来了发展新机遇。[5]
　　1971年，DDS技术由tierhey提出，随后LJK进一步就DDS技术展开深入、细致、全面的剖析，一类速度更快，功
耗更低的DDS结构正式与世人见面。此后，人们对于DDS的改造活动非常热衷，仅仅用了三十余年的时间，直接数字
频率合成技术的稳定性、成熟度都变得非常可观。时至今日，直接数字频率合成技术在商业型号发生器中依然有着
广泛运用。伴随着科技力量的进一步增强，通信技术、雷达技术也在迎头前进，尤其是六零年代，信号发生器发展
速度惊人，通过不断发展衍生出多种新型型号发生器，例如合成型号发生器、函数发生器、程控型号发生器等等。
这一系列型号发生器的性能的优化水平不断提升，当然信号发生器的结构更简化、功能更全面。
　　随着计算机科学的发展，计算机是一种高速运行计算的电子计算机器，可以进行数值计算，也可以进行逻辑计
算，通过二进制0、1代码可以几乎完成计算机的所有功能，计算普遍的特点就是有储存功能使得计算机的功能变得
更加强大，是能够按照程序代码完成对应功能，自动化高效完成对数据处理的现代智能电子设备。[8-10]
1.3 研究的主要内容及步骤
　　本文主要研究的是对DDS信号发生器的设计，利用STC89C51单片机、AD9833模块、LCD1602显示屏完成不同信号
波形产生的功能。数字信号可随意改变的波形发生器，依托AD9833以及51单片机完成设计，该设备可产生任意信号波形，同时可结合具体需要完成波形频率、幅度等的改变。与此同时，为了保障具体操作控制工作高效展开，可将
按键以及液晶显示屏增加到单片机上，修改后，波形也会随着变化，信号波形参数的显示离不开LCD的助力。显然，
该设计优势突出，主要表现为简单的电路结构、完善的系统功能、更好的契合具体需求。
第1章：概述了目标系统设计的背景及意义，对信号发生器、单片机、系统的发展历程总结。
　　第2章：介绍了信号发生器的设计方案和原理，根据各元件的功能确定元件选择，分析了DDS信号发生器的设计
要求和使用元件的原因。
　　第3章：主要介绍了各个模块的功能和设计原理图，分析了各个模块与单片机的关系，并提供了必要的硬件清
单，以帮助改进后续工作。
　　第4章：围绕软件设计工作进行，总结了与软件设计关联的基础内容，给出了基础流程示意图，详细介绍了主、
子程序。
最后，总结全文，总结文章涉及到的理论，详细说明了设计环节遇到的问题。

2总体设计

2.1总体设计目标
（1）可通过按键实现频率设定输出;
（2）针对0-10M波形，输入目标可借助按键实现，显示目标可通过LCD实现；
（3）针对输出频率值、波形、幅值等指标，想要实时显示，需要1602液晶显示屏的助力。
（4）针对AD9833模块，在转接座的配合下，支持更换。
（5）可以输出正弦波、方波和三角波三种波形；
2.2模块方案的选择
2.2.1单片机的选择
　　STC89C51具有加密性强，超强抗干扰等功能，能够保证数据的真实性和准确性，并且是一个同时具备低功耗，
超低价和高可靠的单片机。这一单片机供电电压可选择范围广，为3.8-5.5V,引脚有40个，运行速度较快，片内资源
丰富。[12-15]。STC89C51的结构如图2-1所示。

图2-1 STC89C51结构框图
2.2.2显示模块选择
　　该系统的显示器模块只需波形的相关数据。LCD1602 其作为一种字符型的液晶显示器，具备低功耗和显示清晰
的优点，此外液晶显示也是其一大特色。作为点阵型液晶模块，支持两行字符同时显示，同时数字、字母等均可显
示出来，该液晶屏控制简单，显示清晰，用来显示字母和数字会更加方便，可以很快速方便地连接到单片机
LCD1602 在可实现显示频率数值的前提下，是液晶显示器中成本最小的。[16]关于 LCD1602 的实物图如图2-2所
示。

图2-2 LCD1602实物图
2.2.3 频率合成模块的选择
　　针对频率合成，常用的实现方式有直接模拟合成、锁相环综合、直接数字合成。首先直接模拟合成在精准性高
的时钟源以及单个参考频率或者多个参考频率的配合下，依托分频、倍频、混频等技术手段来达成频率产生的目
的。该实现方式拥有较快的变频速度，缺点是硬件体积大，功率损耗高；锁相环综合法在锁相环技术的助力下，顺
利实现倍频、分频的目标。锁相环综合是现阶段结构简单的全集成电路。但是该方法也有应用缺陷，一旦频率分辨
率高出一定范围后，那么系统的转换效率就得不到保障。DDS（直接数字频率合成）法高效快速，补足了锁相环技术
的弊端，转换速度快、频率稳定性强、精准性高、集成简单、分辨力理想。
2.2.4 按键输入模块选择
　　该设计目标的实现，前提是做好键盘模块的设计工作。因为正弦波以及方波需要的输出频率仅需要借助键盘完
成输入。其中单独的矩阵按键应用作为广泛，此类按键占用的微控制器的I/O资源非常少，但是整体配置的繁杂性较
高。考虑到该设计仅需要很少的按键，因此选择单独的按键作为按键输入模块。
　　独立按键的结构比较简单，独立I/O口输入线与按键连接起来，这样一个单独按键就此形成。各个按键分别占用
一个微控制器的I/O端口，同时也会干扰其他按键的正常操作。此次设计中，独立的按钮直接连接到微控制器的引脚
P14至P17。
2.3 设计方案的选择
　　根据以上方案的分析，本设计的总体设计最终确定为：选择STC89C51单片机作为主控系统，AD9833芯片及其外
围电路作为信号发生电路。下图2-3是总体框图。

图2-3 系统总体框图

3 系统硬件电路设计

3.1总体硬件原理图
　　下图3-4为总体硬件原理图，一共有四个模块，分别是单片机设计模块、频率合成模块、按键输入模块和液晶显
示模块。在其中，设计方案控制板为STC89C51单片机；依靠对应的外围电路，频率合成模块顺利形成。按键输入模
块中采用了四个独立的按键。这种按键构造并不繁杂，可以联接独立的I/O口输入线，产生独立的按键。液晶显示屏
模块是LCD1602，支持数字、字母等的现实，并且控制程序并不复杂，可以将目标信息清楚的显示出来，带给人们极
大的便利。

图3-1 总体硬件原理图
3.2 单片机片内资源
　　单片机用户可通过单片机来获取的内容就是单片机内部资源。单片机内部资源主要包括FLASH、RAM、SFR。同时
单片机程序的存储工作依托OTPROM实现。伴随着科技力量的增强，FLASH进一步优化，表现出更突出的应用特征，例
如支持重写、大容量、低成本等等。同时单片机运用FLASH，最关键的一点是即便断电也不会发生数据丢失的尴尬情
况。这点与存储文档、音乐等文件的计算机硬盘有很大的共性。关闭电源后，下次重新启动计算机时，所有文件仍
然存在。
　　单片机数据存储空间为RAM,在程序执行环节会有数据生成，而RAM就扮演着这些数据的存储者的角色。实际上，
这与计算器很相近。加减法计算工作通过计算器实现，部分中间数据会在RAM中存储，如果遇到断电的情况，那么数
据也随之丢失。也就是计算机打开后，计算活动就从零重新开始。但是也有优势，即读写速度快、支持无限写。也
就是说，无论程序如何执行或读写，生命周期都是无限的。
　　第三个资源是特殊功能寄存器SFR。微控制器有很多功能，每个功能都配备一个或多个 SFR。通过读写SFR，实
现单片机的各种功能。Flash程序空间为 8K 字节（1K = 1024字节，1字节 = 8位），RAM 数据空间为 512 字节。
　　对于单片机系统电路而言，其核心为STC89C51。 STC89C51拥有丰富的I/O口和片上资源。 P3.0、P3.1和P3.7分
别连接到AD9833的 SDATA（引脚6）、SCLK（引脚7）和 FSYNC（引脚8），以控制zSPI接口访问。如图3-2所示。

图3-2 单片机系统电路图
3.3单片机系统与外部电路接口
3.3.1 DDS信号发生器
DDS结构示意图见图3-3下，其由相位累加器、数模转换器、相位幅度转换器构成。 [20]

图3-3 DDS结构图
　　对于相位累加器而言，所产生的正弦波的幅度没有线性规律可言。但是相位的增长却呈现出线性特征。对于DDS
而言，正式在该功能的促进下完成信号的成功创建工作。根据图3-4显示，N是DDS频率控制字位数，将360°均分为
2N等份。
　　DAC接收到二进制数字信号之后，完成该信号的转换工作，模拟信号替代二进制数字信号并被输出。这里值得注
意是的，输出频率分辨率并不会受到DSC位数的干扰。因为频率控制字位数是输出频率分辨率的决定性因素。
DDS的数学原理如下：
1.参考时钟/系统时钟
　　参考时钟是DDS的输入时钟频率。DAC采样率为系统软件时钟，频率与输出频率成正比。自然，输出频率也是有稳定的范畴，上限是系统软件时钟频率的40%。参考时钟受到有无应用到内部PLL倍频器的影响，如果没有应用，系
统时钟就是参考时钟，如果使用到，那么参考时钟*M即系统时钟，M是PLL倍频器的倍频系数。
2.频率控制字(Frequency Tuning Word）
　　针对输出频率，决策要素是频率操纵字值。输出频率屏幕分辨率伴随着频率操纵字的总数而提升，频率分辨率
为Fc/2N。
3.DAC 输出电压范围（Voltage Compliance Range）
　　DAC输出电压范围受到输出类型的直接影响，如果是电流输出型，那么输出电压必须控制在恰当范围内。同时输
出电流在负载端建成的电压值也不能超出该范围。不然，输出级有可能会损坏。[21]
　DDS（直接数字频率合成）采用AD9833，AD9833是一款完全集成的电路，功能完善，既可以产
生射频信号同时还可以做好方案的调制、解调等工作。在DSP技术的助力下，繁杂的调制解调算法得以简化，同时不
影响结果的精准性。
　　AD9833 属于可编程波形发生器的范畴，该设备能耗不高。在SPI接口的促进下，顺利与单片机实现连接。同时
AD9833可被编程，并且以三角波、方波的形式输出。输出频率范围较广，0-10MHZ范围内即可。此外，该波形发生器
的外围电路不复杂，不需要专门设置外部元件。无论是输出的频率还是输出的相位均可依托软件完成编程，可灵活
调整。
AD9833所需的25MHz系统时钟由有源晶振来供给，单片机通过FSYNC、SCLK、SDATA和三个引脚控制AD9833。AD9833作
为全集成DDS电路，很容易产生12.5MHz的正弦波，仅需外部参考时钟、低精度电阻、去耦电容即可。[22]
　　AD9833 的引脚图如图3-6所示，其引脚按功能主要分为三类：电源引脚（表3-1），模拟信号引脚（表3-2），
数字接口和控制接口引脚（表3-3）。
表3-1 电源引脚
引脚 引脚功能　
(1)
VDD
模拟和数字接口部分的供给，电源正电压范畴在2.3V和5.5V中间。事实上，必须在引脚和AGND中间并联，并
且还要接入0.1F和10F非耦合电容。
(2)
CAP
/2.
5V
数字电路工作电压是2.5V，AD9833的内部结构数字电路设计选用2.5V标准工作电压工作中。当VDD超过2.7V
时，必须在CAP/2.5V和DGND中间连接一个100uF的非耦合电容，才可以使内部结构标准工作电压正常的工作
中。当VDD低于2.7V时，要求CAP/2.5V和DGND直接相连。
(3)
DGND
数字地
(4)
AGND
模拟地
表3-2 模拟信号引脚
引脚 引脚功能
(1)COMP DAC偏差管脚
(2)VOUT 电压输出
表3-3 数字接口和控制接口引脚
引脚 引脚功能
　　
(1)MCLK 数字时钟输入。DDS输出频率是MCLK的二进制分数形式，输出频率的准确性和相位噪声由这个时钟决定。
(2)SDATA串行数据输入。采用16位数据字格式。
(3)SCLK 串行时钟输入。在SCLK时钟的降低沿，串行通信数据信息移进AD9833。
(4)FSYC 控制输入低电平有效。
AD9833的内部结构如图3-7所示。它主要由数控振荡器和相位调制器、正弦查找表和10位数模转换器组成。数控振荡
器和相位调制器由两个频率选择寄存器、一个相位累加器、两个相移寄存器和一个相移加法器组成。[23]

图3-7 AD9833内部结构图
　　信号发生器由DDS芯片AD9833和单片机STC89C51组成。用户通过按键输入的信号必须被STC89C51接收，经过处理
后，将计算出的控制字发送到AD9833，AD9833产生下一个信号。
3.3.2 键盘和显示
显示电路用数码管显示，直观方便，如图3-9所示。

图3-9 显示电路
3.3.3晶振
　　晶体振荡器为系统软件提供基本上的时钟信号。通常，一个系统同用一个晶体振荡器，便于各部分保持同步。
在一些通信系统中，基频和微波射频应用不一样的晶体振荡器，并根据电子器件工作频率调节来同歩。
　　在该体系中，晶体振荡器与单片机内部结构电源电路紧密结合，产生单片机需要的时钟频率。单片机全部命令
的运行全是根据此。晶体振荡器提供的时钟频率越高，单片机的运作速率越快。晶振采用12MHz高平稳无源晶振，，
给CPU提供高稳定的时钟信号，12M单片机晶振，一般由于一个机器周期是12个时钟周期，更方便计时。图3-10为晶
振原理图

图3-10 晶振
3.4焊接及调试
3.4.1焊接
　　根据电路原理图进行焊接，焊接时要确保各部分正负极电平连接没有问题。同时两端电压值与对应标准吻合，
保障焊点牢固，规避误焊的情况。待检查无误后，即可启动程序。焊接操作时，电源反接、引脚反接等情况无法完
全规避，一旦出现这些问题，电路会发生故障，甚至导致元器件被烧毁。待焊接工作结束后，必须做好短路、焊接
错误等情况的检测工作，检测操作借助万用表蜂鸣器实现。图4-1为PCB原理图，阐述了焊接的基本原理。

图3-10 PCB原理图
3.4.2调试
　　焊接完成，接通电源后，屏幕显示正常， 按键调试正常。并且可以通过矩阵按键实现频率的设置，然后输出，
正常波形输出0-5M波形可以完全显示，5M-10M波形出现谐波并且慢慢失真降低。幅值0-4.4V按键可调，步进值为0.1
V，并且可以液晶显示。当然到底输出哪类波形，可借助按键来选定。

4 系统软件设计

4.1主程序设计
软件采用C语言编写，使用循环扫描在4x4键盘上完成扫描任务。程序流程示意图如图4-1下。

图4-1 程序主流程图
　　AD9833的核心任务明确，即以尽可能快的速度完成正弦波形的建立以及频率的切换工作。在软件的配合下，不
同的频率控制字被设置出来，频率切换的目标顺利达成。不同的频率控制字在AD9833中的写入操作即可完成，信号
输出通过软件程序完成控制。由于编程时AD9833频率控制字是16位，因此SPI写操作需分两步展开，当然还必须格外
关注AD9833数据位写顺序。它的数据格式高在前面，低在后面。
4.2子程序设计
　　如图4-2，是系统的子程序流程图。首先进行液晶初始化，第一步完成液晶初始化操作，然后写地址时必须控制
RS引脚是0.地址数据写道液晶中，负责对液晶进行控制的引脚的EN是1，延时1ms后，控制液晶的引脚EN为0，控制RS
的引脚为1，进行数据写入的操作，随后数据写入液晶，EN为1，再延时1ms后，EN为0。

图5-2 子程序流程图

结 论

本课题的设计目标是细致把握好单片机STC89C51以及DDS芯片AD9833的运行原理，设计时实施的时候遇到了很多
棘手问题。通过外围电路的高效设计，目标外围电路的设计目标依托Proteus达成。功能的实现依托Keil平台编写的
程序，然后波形的输出通过外围硬件实现。
　　依据设计目标，顺利成功完成了根据直接频率合成技术(DDS)的信号源的设计，并经过了相应的硬件软件检测，
完成了设计目标的主要问题。所设计的信号源可以正弦波形、波形和三角波，并且输出频率范围在0-10M之间，而且
可以利用功能键更改步进值，调整频率大小，并在LCD1602液晶显示器上展示对应的信息。该设计方案不但电源电路
构造简易，系统软件功能齐全，还可以达到具体使用的规定，满足更多现实应用的需求。