基于AD9851的多功能信號發(fā)生器設(shè)計

0 引言
    信號發(fā)生器是用來提供各種測量所需波形信號的電子儀器，是一種常用的信號源，可廣泛應(yīng)用于自動控制、科學試驗和電子電路等相關(guān)領(lǐng)域。但在分析電路時，也常常需要了解輸出信號與輸入信號之間的關(guān)系，為此，常用信號發(fā)生器來產(chǎn)生信號以激勵系統(tǒng)，同時觀察和分析系統(tǒng)對激勵信號的響應(yīng)。
    現(xiàn)如今，信號發(fā)生器的應(yīng)用越來越廣，同時也對信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、頻率范圍和輸出信號的頻率分辨率提出了越來越高的要求。因此，國內(nèi)外紛紛采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)來設(shè)計制作先進的信號發(fā)生器。本文正是基于DDS原理，采用DDS集成芯片AD9851設(shè)計并制作出了多功能信號發(fā)生器。用該方法設(shè)計的多功能信號發(fā)生器具有頻率穩(wěn)定、變頻快速、幅值穩(wěn)定、波形失真度低、電路結(jié)構(gòu)簡單等特點。

1 硬件設(shè)計
1．1 硬件電路整體結(jié)構(gòu)
    信號發(fā)生器系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它主要由單片機控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數(shù)字合成模塊以及信號處理模塊組成。其中，信號的產(chǎn)生由單片機控制模塊和數(shù)字合成模塊實現(xiàn)，鍵盤與顯示模塊用來實現(xiàn)人機交互功能，信號處理模塊則用來對信號進行后期處理。

    用戶可以從儀器面板上的按鍵輸入命令，隨后相關(guān)數(shù)據(jù)會顯示在液晶顯示器上，同時由單片機控制DDS芯片AD9851輸出正弦波或方波，再通過后級信號調(diào)理電路，輸出所需的各種波形信號。
1．2 信號產(chǎn)生與控制電路設(shè)計
    信號的產(chǎn)生與控制部分可由單片機STC516RD與DDS芯片AD9851組成。設(shè)計中，兩芯片可以共用同一個30 MHz晶振。一方面，它可滿足單片機的高速工作要求；另一方面，當30MHz從AD9851的REFCLK引腳輸入后，可在芯片內(nèi)部經(jīng)過6倍頻產(chǎn)生180 MHz的時鐘信號。在此基礎(chǔ)上，AD9851就可以輸出較高頻率的信號。
    設(shè)計電路中，AD9851將采用高速并行接口工作方式，其IOUT引腳外接的輸出電阻值為50 Ω，它可由R102的100 Ω與其后接幅度調(diào)節(jié)電路中電阻鏈的總電阻100 Ω并聯(lián)得到。RSET引腳用來設(shè)置其內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器的滿度輸出電流值。若要使輸出電壓的峰峰值為0．5 V，而輸出電阻是50 Ω，那么，輸出的滿度電流的峰峰值應(yīng)為：
   
    從AD9851的使用說明書中可知：RSET=39．93／IOUT，所以，RSET引腳需要接一個3．9 kΩ的電阻。
    IOUTB引腳是IOUT引腳的互補輸出端，它可輸出與IOUT引腳相同的電流，即10 mA的正弦交流信號。在電路設(shè)計時，應(yīng)在該引腳外接100Ω電阻，以便輸出峰峰值為1 V的正弦波電壓。該電壓可作為AD9851內(nèi)部高速比較器同相端的輸入信號，并通過其外圍電路的設(shè)計，將比較器的閾值電壓取為0．5 V，從而使AD9851輸出占空比為50％的方波信號。其信號產(chǎn)生電路如圖2所示。

1．3 人機交互電路設(shè)計
    本設(shè)計采用獨立式鍵盤，即單片機的5個I／O口直接與5個按鍵相連。5個按鍵的設(shè)置為：菜單選擇鍵MENU，上切換鍵MU，下切換鍵MD，數(shù)值增加鍵UP，數(shù)值減小鍵DN。通過按鍵可對所需信號的頻率、幅度及功能進行控制和調(diào)節(jié)。由于本設(shè)計中，系統(tǒng)的外圍器件比較多，同時還要兼顧其抗干擾能力，所以，本設(shè)計選用液晶顯示器OCMJ4×8C。該顯示器在受干擾后，經(jīng)過數(shù)據(jù)刷新可以恢復正常工作，同時具有可選的串行通信接口，并自帶字庫，方便可靠。如果將該液晶的PSB輸入引腳接低電平，則選擇串行工作方式；若將片選引腳CS接高電平，它將始終處于選中狀態(tài)；設(shè)計時應(yīng)將時鐘接入引腳SCLK，數(shù)據(jù)輸入引腳STD和復位引腳分別與單片機的3個I／O口相連，并將背光源正極接+5 V，負極接地。
1．4 信號處理電路設(shè)計
    信號處理部分的主要功能是對AD9851的輸出波形進行低通濾波、幅度調(diào)節(jié)和放大。要實現(xiàn)步進值大約6 dB的輸出幅度調(diào)節(jié)，即需使下式中的衰減值為6 dB，可以求得AV＝2，AV是電壓放大倍數(shù)。
    衰減值=20×lg AV (2)
    由此，電路應(yīng)該滿足相鄰兩個結(jié)點對地的兩倍電壓差。設(shè)計時可利用簡單的電阻鏈結(jié)構(gòu)來構(gòu)成衰減器，而結(jié)點的切換則可以使用模擬多路開關(guān)CD74HC4051來控制。
    在設(shè)計放大電路時，既要考慮到放大倍數(shù)，還要認識到轉(zhuǎn)換速率這個重要因素，因為信號發(fā)生器最高輸出頻率高達20 MHz，所以，應(yīng)選擇增益帶寬積相對較高的放大器?；诙喾N因素的考慮，這里選擇LM6264高速集成運算放大器，并將信號幅度放大8倍。
    此外，為了完善系統(tǒng)功能，使其具有較強的實用性，本系統(tǒng)還設(shè)計了由鐵電存儲器FM24C04A構(gòu)成的掉電數(shù)據(jù)保護電路，用于保存中途掉電或儀器關(guān)機前的狀態(tài)信息。

2 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件由主監(jiān)控程序、典型信號產(chǎn)生、人機交互以及定時中斷程序等幾部分構(gòu)成。其中主監(jiān)控程序的任務(wù)是識別按鍵、解釋命令，并獲得完成該命令的相應(yīng)模塊入口，引導信號發(fā)生器進入正常工作狀態(tài)，協(xié)調(diào)各部分軟件的工作；典型信號產(chǎn)生程序則由STC516RD根據(jù)用戶輸入的頻率和相位要求，將計算出的頻率控制字傳送給AD9851，再由AD9851產(chǎn)生頻率相位可控的信號；定時中斷程序需要T0和T2定時器同時工作，T0用來定時掃描鍵盤，T2則工作在16位自動重裝載方式，用來定時2PSK、ASK、FSK以及掃頻功能中的時間間隔的長短．以及模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換。
    圖3所示是系統(tǒng)主監(jiān)控程序，即系統(tǒng)主程序流程圖。

    信號發(fā)生器的工作模式可以通過主監(jiān)控程序中變量state的值進行選擇。每種功能的實現(xiàn)則依賴于頻率、相位、幅度以及時間間隔的設(shè)定，并應(yīng)綜合考慮。
    在數(shù)字調(diào)制方法中，數(shù)字調(diào)制的載波是AD9851輸出的正弦信號，其頻率和幅度均可調(diào)，調(diào)制波通常是一系列由0和1交替出現(xiàn)的序列信號串。
    信號發(fā)生器的工作模式通常有以下幾種：
    (1)單頻模式
    單頻模式是最為靈活的一種，當需要信號發(fā)生器輸出一個頻率固定的正弦波時，通常采用此模式。
    (2)二進制移相鍵控模式(2PSK)
    該模塊是用已調(diào)信號載波的0°和180°分別表示二進制數(shù)字基帶信號的1和0。系統(tǒng)需要產(chǎn)生1和0相互交替出現(xiàn)的調(diào)制信號。
    (3)二進制幅度鍵控模式(ASK)
    即用載波在二進制調(diào)制信號1或0的控制下通或斷。本系統(tǒng)中，信號發(fā)生器產(chǎn)生的1和0可由輸出信號幅度的不同衰減值來區(qū)分。
    (4)二進制移頻鍵控模式(FSK)
    如果二進制基帶信號的1對應(yīng)于載波頻率f1，0對應(yīng)于載波頻f2。那么系統(tǒng)中信號發(fā)生器產(chǎn)生的1和0，就可由輸出信號頻率的不同來區(qū)分，輸出頻率的最大值可為20 MHz 。
    (5)掃頻模式
    掃頻模式主要用于測量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性?？捎檬静ㄆ髦苯语@示被測二端口網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線，描繪網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。掃頻功能的實現(xiàn)需要產(chǎn)生一個鋸齒波，設(shè)計時可采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5615來定時輸出步進電壓值，由于這個鋸齒波同時控制著電子束水平掃描和掃頻信號，因此，電子束在示波管熒光屏上的每一水平位置都對應(yīng)于某一瞬時頻率。

3 信號發(fā)生器的調(diào)試
    對信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號進行測試，所使用的主要儀器與設(shè)備為數(shù)字萬用表和示波器。其最終的試驗平臺可由設(shè)計好的DDS信號發(fā)生器和示波器組成。實驗中，所使用的示波器帶寬為20MHz。圖4所示是該信號發(fā)生器在FSK功能下的輸出波形，圖5所示為FSK模式下的LCD菜單顯示圖。其輸出信號的時間間隔為10 ms，衰減為0dB，輸出峰峰值4 V，交替變化的兩個頻率值分別為11718．1 Hz和635．7 Hz。

4 結(jié)束語
    本文設(shè)計的多功能信號發(fā)生器可實現(xiàn)定頻、掃頻、2PSK、ASK、FSK等5種基本功能，而且操作簡單，顯示直觀，有一定的實用價值，可以用作高校低成本高精度信號發(fā)生器使用。事實上，現(xiàn)今高速集成電路的發(fā)展進一步改善了DDS的性能，可以預(yù)見，未來的DDS不僅可以用于實用信號源的傳統(tǒng)領(lǐng)域，還將開拓許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。