關(guān)于電子信息技術(shù)中信號(hào)源的設(shè)計(jì)與制作

0 引言

作為產(chǎn)生各種電子信號(hào)的儀器，信號(hào)源又可以叫做信號(hào)發(fā)生器，因?yàn)樗械?strong>電子信息設(shè)備都是在信號(hào)源的作用下進(jìn)行信號(hào)的輸出工作，所以信號(hào)源被廣泛的應(yīng)用到科技和生產(chǎn)實(shí)踐等眾多領(lǐng)域中。信號(hào)源通過變換電路以及波形產(chǎn)生電路來提供各種信號(hào)，其中波形產(chǎn)生電路又可以叫做波形發(fā)生器或振蕩器，工作原理是通過電路將直流能源轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣髂茉摧斔统鋈ィ恍枰黾悠渌饨绲募?lì)信號(hào)。可以將信號(hào)源劃分為：數(shù)字信號(hào)、脈沖信號(hào)、掃頻信號(hào)、正弦信號(hào)、函數(shù)信號(hào)等具有不同波形的信號(hào)源，電子線路中普遍用到的信號(hào)源是脈沖信號(hào)和正弦信號(hào)。在電子信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，對(duì)信號(hào)源等基本電子設(shè)備的開發(fā)和研制也相繼步入了一個(gè)全新的發(fā)展階段。

1.直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)的特點(diǎn)

直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)(Direct DigitalSynthesizer)簡(jiǎn)稱DDS,在功率的消耗、轉(zhuǎn)換時(shí)間、成本投入以及分辨率等方面都要優(yōu)于傳統(tǒng)的頻率合成器。人們生活的各個(gè)領(lǐng)域也都涉及到了電子信息技術(shù)，電子測(cè)量?jī)x器和電子信息系統(tǒng)的發(fā)展空間非常廣闊，而在對(duì)電子信息設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改革的過程中最關(guān)鍵的步驟是DDS技術(shù)的應(yīng)用。正弦計(jì)算器、高速相位累加器和頻率控制寄存器是DDS技術(shù)的主要3個(gè)部件，工作的主要過程：經(jīng)過并行或者串行的方法，頻率控制寄存器將用戶輸入的頻率控制碼進(jìn)行裝載和寄存，DDS頻率控制碼在高速相位累加器的作用下在一定時(shí)間段內(nèi)相位累加，累加形成相位值經(jīng)過正弦計(jì)算器的正弦波幅度的數(shù)字化計(jì)算，計(jì)算過程中通過查詢表可以找到芯片。應(yīng)用低通濾波器以及高速D/A轉(zhuǎn)換器的作用之后的數(shù)字化正弦波，才能保證DDS芯片輸出的是可用的模擬頻率信號(hào)。

可編程邏輯器件AD9850、小鍵盤、8279芯片、數(shù)碼管、單片機(jī)AT89C51、放大電路模塊和低通濾波器是基于DDS技術(shù)信號(hào)源的幾個(gè)重要的組成部件。作為信號(hào)源的核心成分，可編程邏輯器件AD9850以及單片機(jī)AT89C51的功能主要是將輸出波形的信號(hào)頻率顯示出來。信號(hào)源設(shè)計(jì)原理詳見圖1所示。

信號(hào)源在電子系統(tǒng)中發(fā)揮著很大的作用，信號(hào)源的種類非常多，并且具有多種特征和功能，用戶要根據(jù)相應(yīng)的目的來選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)源種類。DDS技術(shù)是信號(hào)源的設(shè)計(jì)和制作過程中最核心的內(nèi)容，其中方波、鋸齒波、正弦波和FM調(diào)制信號(hào)輸出(頻偏范圍為0~100KHZ)是設(shè)計(jì)DDS信號(hào)源時(shí)的側(cè)重點(diǎn)，信號(hào)輸出過程中的阻抗是50~70Ω，TTL電平是經(jīng)FM調(diào)制信號(hào)以及正弦波輸出的幅值，F(xiàn)M調(diào)制信號(hào)輸出的頻偏要保持在0~100KHZ的范圍內(nèi)。

2.信號(hào)源硬件電路的設(shè)計(jì)與制作

鍵盤掃描及顯示電路和可編程邏輯器件AD9850波形產(chǎn)生電路是DDS信號(hào)源的主要硬件電路。在對(duì)信號(hào)源硬件電路的設(shè)計(jì)與制作的過程中要從鍵盤掃描及顯示電路和可編程邏輯器件AD9850波形產(chǎn)生電路兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 鍵盤掃描及顯示電路

利用單片機(jī)AT89C51的PO串口對(duì)4×4的小鍵盤(本論文主要的研究對(duì)象)進(jìn)行掃描，為了方便可編程邏輯器件AD9850引入外部時(shí)鐘信號(hào)，在掃描過程中要將外接無源晶體振蕩器接入到單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳之間，并通過74LS164對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中無源晶體振蕩器的頻率要達(dá)到12MHz.最后用十進(jìn)制的方式把掃描的結(jié)果顯示出來。此外，將兩個(gè)電容器以并聯(lián)的方式加入到無源晶體振蕩器的兩端能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有效的保持振蕩器頻率的穩(wěn)定性。

2.2 可編程邏輯器件AD9850波形產(chǎn)生電路

在可編程邏輯器件AD9850的作用下DDS信號(hào)源自動(dòng)產(chǎn)生的正弦信號(hào)的信號(hào)頻率跟控制信號(hào)相同，而且此可編程邏輯器件本身含有比較器，所以還能在輸出過程中把正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤l率的方波信號(hào)。單片機(jī)AT89C51上的兩根口線控制的數(shù)字電位器能夠調(diào)節(jié)信號(hào)的幅值和波形。用戶可以通過單片機(jī)AT89C51的邏輯控制作用來按需求獲得不同的波形，并把形成的頻率字通訊連接到上位機(jī)。

在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)注意以下事項(xiàng)：①在共用一組電池的情況下，各級(jí)放大的輸出信號(hào)在多級(jí)放大電路的過程中，因?yàn)閮?nèi)阻的作用會(huì)產(chǎn)生一定的公共輸出，各放大級(jí)間就會(huì)彼此影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性被破壞，甚至出現(xiàn)自激的情況。面對(duì)以上情況，可以通過設(shè)計(jì)去耦電路的方法來去掉不需要頻率的交流信號(hào)，并在元器件附近設(shè)置去藕電容不僅能提高接地性還能提升去耦電路的使用功效，此外，在設(shè)計(jì)去耦電路的過程中還應(yīng)注意要分離數(shù)字地和模擬地。②因?yàn)橹挥懈哔|(zhì)量的適中信號(hào)才能被可編程邏輯器件AD9850所接受，所以要保證時(shí)鐘信號(hào)的上升沿和下降沿不存在明顯的凹凸邊緣，提高時(shí)鐘信號(hào)的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)用地線屏蔽，才能符合可編程邏輯器件AD9850對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的需要。③可編程邏輯器件AD9850的時(shí)鐘信號(hào)的頻率只有在大于1MHz的情況下，系統(tǒng)才會(huì)正常工作，一旦信號(hào)頻率低于1MHz時(shí)，芯片就會(huì)處于休眠的狀態(tài)，不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)的頻率大于1MHz時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的從休眠狀態(tài)調(diào)整到工作狀態(tài)。

3.信號(hào)源軟件的設(shè)計(jì)與制作

在信號(hào)源軟件的設(shè)計(jì)與制作的過程中，首先要將在小鍵盤中得到的相位控制字的BCD編碼以及輸人頻率控制字進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，并參照相位公式及頻率算出相位跟頻率對(duì)應(yīng)的控制字，然后在程序控制作用下注意掃描小鍵盤，通過按鍵的方式輸入數(shù)值，最后在數(shù)碼管上完成顯示的過程。信息源程序流程詳見圖2所示。

參照可編程邏輯器件AD9850控制字的工作原理，在對(duì)DDS信號(hào)源的軟件進(jìn)行編程的過程中將各種不同作用的控制字編寫到8279芯片中，通過編譯軟件的檢查程序功能來檢測(cè)程序中是否存在語法問題，之后利用編譯軟件單步試運(yùn)行程序，可以通過各個(gè)窗口顯示觀察結(jié)果，程序調(diào)試中所有程序如果都呈現(xiàn)正常的工作狀態(tài)即完成調(diào)試，再在單片機(jī)AT89C51中用TOP51編程器記下調(diào)試好的程序，重新啟動(dòng)系統(tǒng)并對(duì)程序參數(shù)進(jìn)行改正，最終保證系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。