基于DDS的多路任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：本文采用單片機(jī)控制DDS專用芯片(AD9854)設(shè)計(jì)了信號發(fā)生器。以AD9854芯片為核心，詳細(xì)分析了該信號發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)和具體電路實(shí)現(xiàn)，并介紹了使用單片機(jī)STC12LE5A56S2對AD9854的控制方法。信號發(fā)生器利用計(jì)算機(jī)串口通信技術(shù)，使用上位機(jī)通過串口對下位機(jī)控制，通過人機(jī)交互的控制方法產(chǎn)生正弦單頻信號、掃頻信號、FSK調(diào)制信號等波形。本信號發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡單，軟件功能完善，人機(jī)界面友好，控制方便，性價(jià)比較高等特點(diǎn)，具有一定的使用和參考價(jià)值。

任意波形發(fā)生器是一種常用信號源，是現(xiàn)代電子測試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的常用儀器之一，廣泛用于電子電路、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。輸出信號的靈活性使之成為系統(tǒng)綜合測試中不可缺少的組成部分。

直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)采用全數(shù)字的合成方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是體積小、功耗小、成本低且易于程控，輸出相位噪聲低和可以產(chǎn)生任意波形等，是任意波形發(fā)生器研究的一個(gè)重要方向。本項(xiàng)目從工程應(yīng)用角度出發(fā)，深入研究基于單片機(jī)系統(tǒng)、以DDS技術(shù)為核心的一種結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良的多路任意信號發(fā)生器。并且通過PC機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)方便快捷地控制產(chǎn)生需要的波形。在Windows系統(tǒng)下利用Visual Basic語言編寫上位機(jī)控制軟件，可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間的通訊及控制電路，操作簡單方便，從而讓任意波形發(fā)生器可為用戶最大限度地提供最方便有效的測試環(huán)境。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由單片機(jī)控制模塊、鍵盤與液晶顯示模塊、數(shù)字合成模塊、濾波模塊、DDS波形發(fā)生器上位機(jī)模塊組成。其中，信號產(chǎn)生由單片機(jī)控制模塊和數(shù)字合成模塊實(shí)現(xiàn)，鍵盤與液晶顯示模塊以及DDS波形發(fā)生器上位機(jī)模塊則用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的功能，濾波模塊用來對信號進(jìn)行后期處理。對于波形的控制有兩種途徑，一種是用戶從儀器面板上通過按鍵輸入命令，其命令的內(nèi)容將顯示在液晶屏幕上，并將命令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，再由單片機(jī)控制DDS芯片輸出信號，并通過后級信號調(diào)理電路，最后輸出所需的信號;另一種是利用上位機(jī)通過串口通信對下位機(jī)的控制，下位機(jī)的單片機(jī)再控制液晶顯示以及DDS芯片的工作。兩種方法可以同時(shí)使用，靈活地通過控制單片機(jī)，來控制DDS芯片產(chǎn)生相應(yīng)波形。

2 信號發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號發(fā)生器電源設(shè)計(jì)

如圖2所示的電源設(shè)計(jì)，信號發(fā)生器的電源模塊需要從外部提供5 V的電源，根據(jù)AD9854的參考資料可知AD9854電源供電是3.3 V，單片機(jī)STC12LE5A56S2所需電壓也為3.3 V，兩者之間就不需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，從而精簡了一大部分電路，只需接入5 V外部電源，再通過117_3.3 V穩(wěn)壓芯片，將電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V來為AD9854和單片機(jī)供電。由于AD98 54電源有數(shù)字電源和模擬電源部分，需要分開進(jìn)行供電，因而需要兩個(gè)穩(wěn)壓模塊來給AD9854這兩部分進(jìn)行供電。

2.2 信號產(chǎn)生的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

信號的產(chǎn)生與控制部分電路由單片機(jī)STC12LE5A56S2與DDS芯片AD9854組成，用戶通過鍵盤輸入的信號被STC12LE5A56S2接收，并經(jīng)其處理后將計(jì)算出的控制字傳送給AD985 4，由AD9854產(chǎn)生頻率幅度可控的信號。還可以通過PC機(jī)上的DDS波形發(fā)生器上位機(jī)發(fā)送命令來控制單片機(jī)來選擇AD9854的工作模式，在其模式下，完成相應(yīng)的命令并輸出波形。

AD9854的內(nèi)部沒有濾波器，因此需在其信號輸出端接～個(gè)低通濾波器。濾波器的設(shè)計(jì)如圖3所示。

系統(tǒng)設(shè)定最高60MHz時(shí)能夠最低程度的降低AD9854內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘200MHz的干擾，采用了具有較窄過渡帶特性的橢圓濾波器。查找橢圓濾波器LC元件值表得出歸一化的元件值，然后再轉(zhuǎn)化為去歸一化的元件值便是本文所用濾波器中的元件值。去歸一化公式為：

其中，L’、C’為去歸一化的元件值，fFS為頻率標(biāo)度系數(shù)，可以直接用2πfc表示。Z為阻抗標(biāo)度系數(shù)，即Z=50。代入計(jì)算后各個(gè)元件值如表1所示。

2.3 人機(jī)交互電路設(shè)計(jì)

人機(jī)交互電路以單片機(jī)STC12LE5A56S2為核心，通過其控制液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊以及與PC機(jī)進(jìn)行串口通信。通過鍵盤輸入命令給單片機(jī) STC12LE5A56S2，從而來控制AD9854芯片工作，選擇相應(yīng)的工作模式。也可以通過串口利用PC機(jī)上的DDS波形發(fā)生器上位機(jī)給單片機(jī)發(fā)送命令來控制AD9854芯片相關(guān)工作。如圖4所示為在PC機(jī)上的DDS波形發(fā)生器上位機(jī)，單片機(jī)STC12LE5A56S2具有串口通信的功能，使用時(shí)需連上其對應(yīng)管腳，打開串口，直接修改上位機(jī)內(nèi)所想要修改的參數(shù)，即能控制單片機(jī)發(fā)送命令來控制DDS芯片工作。此上位機(jī)可修改當(dāng)前模式下的頻率相關(guān)參數(shù)以及掃頻控制。該上位機(jī)軟件還可以根據(jù)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展。

3 信號發(fā)生器硬件實(shí)現(xiàn)

3.1 印刷電路板設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)所用的元器件都安排在一塊印刷電路板(PCB)上，芯片既有直插式，也有貼片式，采用手動(dòng)布局，布線采用最短路徑規(guī)則。混合信號電路PCB的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，元器件的布局、布線以及電源和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能。本板采用雙面走線，所以兩面的線盡量垂直，以防止總線間的電磁串?dāng)_。系統(tǒng)既有數(shù)字器件又有模擬器件，器件的布局上，遵循數(shù)字器件和模擬器件分開擺放，輸出模擬信號線最短輸出、輸入模擬信號線最短輸入、模擬器件的模擬地以最短距離到地的原則。

3.2 測試結(jié)果

下列圖形是本設(shè)計(jì)產(chǎn)生的幾種波形，測量儀器為固緯示波器，型號為GDS-2000A-CN。

本設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的正弦波的頻率范圍是2 Hz～60 MHz，圖5所示為頻率為20 MHz的正弦波。從波形可以看出頻率準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.0005%，穩(wěn)定度可以達(dá)到10—4，基本滿足要求。

圖6所示為掃頻信號某一瞬間圖形圖，掃頻范圍為500 Hz～10 000 Hz，掃頻步長為150 Hz。

圖7所示為FSK調(diào)制信號，載波頻率為100kHz，調(diào)制信號頻率為1 kHz，從圖中可以看出頻率切換時(shí)波形的相位是連續(xù)的。

4 結(jié)論

本文采用DDS芯片AD9854為信號產(chǎn)生芯片，單片機(jī)STC12LE5A56S2為控制器，外接IO器件，配合上位機(jī)的使用，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制的方法，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡便，性能優(yōu)良的信號發(fā)生器。能夠極大方便地在上位機(jī)上輸入?yún)?shù)以控制產(chǎn)生各種需要的波形。