基于DDS芯片AD9850的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)
0 引言
信號源是電子產(chǎn)品測量與調(diào)試、部隊設(shè)備技術(shù)保障等領(lǐng)域的基本電子設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測量技術(shù)的進步，普通的信號發(fā)生器已無法滿足目前日益發(fā)展的電子技術(shù)領(lǐng)域的生產(chǎn)調(diào)試需要。而DDS技術(shù)是一種新興的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續(xù)、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數(shù)字化易于集成、體積小、重量輕等優(yōu)點，因而在雷達及通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
1系統(tǒng)設(shè)計方案
本文提出的采用DDS作為信號發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計方案，根據(jù)輸出信號波形類型可設(shè)置、輸出信號幅度和頻率可數(shù)控、輸出頻率寬等要求，選用了美國A／D公司的AD9850芯片，并通過單片機程序控制和處理AD9850的32位頻率控制字，再經(jīng)放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)了信號幅度、頻率、類型以及輸出等選項的全數(shù)字控制。該函數(shù)信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 DDS的基本原理
直接數(shù)字頻率合成器(Derect Digital Synthesizer)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。一個直接數(shù)字頻率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存儲ROM、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)組成。DDS的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，K為頻率控制字(也叫相位增量)，P為相位控制字，W為波形控制字，fc為參考時鐘頻率，N為相位累加器的字長，D為ROM數(shù)據(jù)位及D／A轉(zhuǎn)換器的字長。相位累加器在時鐘fc的控制下以步長K累加，輸出的N位二進制碼與相位控制字P、波形控制字W相加后作為波形ROM的地址來對波形ROM進行尋址，波形ROM輸出的D位幅度碼S(n)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換變成階梯波S(t)后，再經(jīng)過低通濾波器平滑，就可以得到合成的信號波形。由于合成的信號波形取決于波形ROM中存放的幅度碼，因此，用DDS可以合成任意波形。
3硬件電路設(shè)計
3.1 DDS信號產(chǎn)生電路
考慮到DDS具有頻率分辨率較高、頻率切換速度快、切換相位連續(xù)、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數(shù)字化、易于集成、體積小、重量輕等優(yōu)點，該方案選用美國A／D公司的AD9850芯片，并采用單片機為核心控制器件來對DDS輸送頻率控制字，從而使DDS輸出相應(yīng)頻率和類型的信號，其DDS信號產(chǎn)生電路如圖3所示。
3硬件電路設(shè)計
3.1 DDS信號產(chǎn)生電路
考慮到DDS具有頻率分辨率較高、頻率切換速度快、切換相位連續(xù)、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數(shù)字化、易于集成、體積小、重量輕等優(yōu)點，該方案選用美國A／D公司的AD9850芯片，并采用單片機為核心控制器件來對DDS輸送頻率控制字，從而使DDS輸出相應(yīng)頻率和類型的信號，其DDS信號產(chǎn)生電路如圖3所示。
單片機與AD9850的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式。為了充分發(fā)揮芯片的高速性能和節(jié)約單片機資源，本設(shè)計選擇并行方式將AT89S52的P0口經(jīng)74HC373鎖存器擴展后接至DDS的并行輸入控制端(D0～D7)。AD9850外接120 MHz的有源晶振，產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)低通濾波器(LPF)去掉高頻諧波后即可得到波形良好的模擬信號。這樣，將D／A轉(zhuǎn)換器的輸出信號經(jīng)低通濾波后，接到AD9850內(nèi)部的高速比較器上，即可直接輸出一個抖動很小的方波。再將方波信號加至積分電路，即可得到三角波信號。另外，也可通過鍵盤編輯任意波形的輸出信號。
3.2鍵盤輸入接口及LCD接口電路
本系統(tǒng)中的數(shù)字輸入設(shè)置電路采用2×8矩陣鍵盤。由于LCD具有顯示內(nèi)容多，電路結(jié)構(gòu)簡單，占用單片機資源少等優(yōu)點，本系統(tǒng)采用RT1602C型LCD液晶顯示屏來顯示信號的類型、頻率大小和正弦波的峰一峰值，圖4所示是鍵盤輸入及LCD接口電路圖。
同樣，考慮到AT89S52單片機的IO引腳資源有限，本系統(tǒng)的鍵盤輸入及LCD輸出均通過74HC245連接到AT89S52單片機的P0端口，從而實現(xiàn)端口擴展和復(fù)用。
3.3信號幅度數(shù)控預(yù)置電路
為了實現(xiàn)對輸出的正弦模擬信號幅度的數(shù)字控制和預(yù)置，本系統(tǒng)采用了AD811高速運放、數(shù)字電位器衰減、真有效值轉(zhuǎn)換、以及A／D轉(zhuǎn)換等電路，具體電路圖如圖5所示。
數(shù)字電位器X9C102是實現(xiàn)信號幅度數(shù)字可調(diào)的關(guān)鍵器件。真有效值轉(zhuǎn)換模塊AD637主要負責(zé)信號的TRMS／DC轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)TLC2453模數(shù)轉(zhuǎn)換向單片機輸送正比于正弦波信號幅度的數(shù)字量，以便單片機輸出合適的幅值控制指令。
3.4積分電容自動切換控制電路
三角波是常用信號之一，本系統(tǒng)采用RC積分電路將方波信號轉(zhuǎn)換成三角波。由于信號頻率很寬(低頻達1 Hz以下，高頻達60 MHz以上)，為了完成不同頻段的線性積分，需要不同的積分電容(10pF、100pF、1 nF、10nF、100nF、1 μF、10 μF、100μF)?；跀?shù)控和自動切換的需要，本系統(tǒng)采用如圖6所示的CD4051八選一電路。
4系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 主程序
主程序可控制整個系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的初始化、顯示、運算、鍵盤掃描、頻率控制、幅度控制等子程序，其主程序流程如圖7所示。
4.2鍵盤掃描子程序
鍵盤掃描子程序如圖8所示。因按鍵較多。本系統(tǒng)采用2×8行列式鍵盤來節(jié)約I／O口，并用程序把8根列線全部拉低，再判斷2根行線是否有低電平，如果沒有，說明沒有按鍵被按下，系統(tǒng)則退出鍵盤掃描程序，否則，依次拉低列線，然后依次判斷行線是否有低電平并判斷鍵號，鍵號確定后再轉(zhuǎn)到鍵號相對應(yīng)的功能程序去執(zhí)行。鍵盤主要方便用戶設(shè)置頻率、幅度、選擇工作方式等功能。
信號頻率的數(shù)字控制程序流程如圖9所示。該部分程序主要用于將鍵盤輸入值轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)據(jù)，然后產(chǎn)生相應(yīng)的頻率控制字并送至DDS芯片，以改變DDS的相位增量，最終輸出相應(yīng)頻率信號。
通過嚴格的實驗測試證明，本系統(tǒng)采用DDS完全可以實現(xiàn)輸出信號類型的選擇設(shè)置、信號頻率數(shù)字預(yù)置、信號幅度數(shù)字步進可調(diào)等功能，是一種輸出信號頻率覆蓋寬(0.023 Hz～40 MHz)、信號源分辨率高、波形失真小、全數(shù)控型函數(shù)信號發(fā)生器。具有一定的實用開發(fā)價值。
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