智能AT89S52单片机锁相环频率合成技术的波形发生器设计.pdf

### 知识点：智能AT89S52单片机锁相环频率合成技术的波形发生器设计 #### 一、系统概述 本波形发生器设计的核心是AT89S52单片机，其通过软件算法和锁相环（Phase-Locked Loop, PLL）频率合成技术来生成多种数字信号。这些信号包括正弦波、方波、三角波等，且幅值具有可调性。系统允许用户通过键盘调整频率和幅度，并且通过液晶显示屏呈现当前信号的选择与状态。该波形发生器的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，操作简单，人机界面友好，成本低廉。幅度控制采用双D/A转换技术，后端通过滤波与功率放大电路以提升驱动能力。 #### 二、关键技术 1. **AT89S52单片机**：这是51系列单片机的一种，具有丰富的指令集和较高的处理性能。本系统中AT89S52单片机作为控制核心，负责执行波形数据的读取、处理及输出波形的调整。 2. **锁相环频率合成技术**：通过将基准频率信号送入锁相环路的鉴相器中，与压控振荡器的输出信号进行比较。当锁相环路锁定时，压控振荡器的输出信号频率为鉴相频率的N倍，改变可编程分频器N的值，即可得到不同频率的输出信号。锁相环技术使得频率合成精度高，稳定性好。 3. **双D/A技术**：为了控制信号的幅度，使用了双通道D/A转换器（DAC0832），其中一个通道控制输出信号的基准电压，另一个通道控制输出信号的步进电压，两者结合起来实现对输出幅度的精细控制。 #### 三、系统模块组成 1. **晶体振荡电路**：提供系统时钟信号和标准频率源，本系统中使用32.768KHz的晶振，并通过分频得到512Hz的标准方波信号作为锁相环电路的输入。 2. **地址计数器电路**：该电路利用标准方波信号作为锁相环4046的输入信号，并通过计数器8253实现分频。为满足系统输出波形频率达到20kHz的需求，需使锁相环的输出频率高达2.56MHz。 3. **波形发生模块**：利用单片机的RAM存储波形数据，并通过D/A转换电路实现波形的输出。系统中每个周期取128个样点构成波形，因此最小频率步进间隔设定为4Hz。 4. **幅度控制模块**：通过单片机控制双通道DAC0832实现波形输出的幅度调节，设置步进为0.1V峰-峰值。 5. **储存模块**：使用32KB静态随机存取存储器（RAM）存储所需的波形数据，并通过系统控制逻辑读取。 #### 四、系统设计与实现 系统设计时主要考虑了方案的可行性、频率控制精度、输出频率范围、成本等因素。根据这些因素，文中提出并比较了三种不同的波形产生方案： - **方案一**：采用单片机直接产生波形的方法，但由于其频率控制精度不足和波形线性组合实现困难，被排除。 - **方案二**：通过编程实现，可产生高达20kHz的波形输出，但需要高速CPU支持，且实现复杂度高。 - **方案三**：利用锁相环频率合成技术，以频率产生器、可编程分频器和标准频率源为核心，能够覆盖0.001Hz至300kHz的宽频率范围，并具有高稳定度。 方案三中，锁相环原理图展示了标准频率源fs经过可编程分频器M分频后送入鉴相器，同时压控振荡器的输出信号经过另一可编程分频器N分频后也送入鉴相器。当环路锁定时，输出信号为fo=Nfr，改变分频系数N即可得到不同频率的信号输出。 系统总体设计采用了AT89S52单片机为核心，通过编程实现对RAM、LCD显示屏、D/A转换器和计数器等模块的控制。后端的滤波器和功率放大器对波形进行改善，提高了驱动能力。 本波形发生器设计采用了先进的硬件和软件技术，克服了普通单片机波形发生器的局限性，实现了高精度、高稳定度的多波形信号输出。