基于SPCE061A與AD9851的低頻可控信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

隨著科技的發(fā)展，普通性能的單一波形發(fā)生器已經(jīng)越柬越不能滿足實(shí)際的需求。要實(shí)現(xiàn)性能復(fù)雜的及波形多樣性的發(fā)生器，DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)使用在信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)中，相較與傳統(tǒng)頻率合成器，具有低成本、低功耗、分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。其中頻率分辨率高，體現(xiàn)在輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)2個(gè)頻點(diǎn)(N為相位累加器位數(shù));頻率切換速度可達(dá)μs量級(jí);可輸出寬帶正交信號(hào)，且輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由SPCE061A微處理器模塊、LCD液晶顯示模塊、1×8 LED鍵盤模組、DDS數(shù)字頻率合成模塊、波形轉(zhuǎn)換模塊、幅度控制模塊及電源模塊等電路模塊組成。

系統(tǒng)采用凌陽SPCE061A開發(fā)板作為核心處理器件。主單片機(jī)主要控制DDS芯片AD9851工作，產(chǎn)生預(yù)置頻率和相位的正弦信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波得到純凈的正弦波，再經(jīng)電流放大級(jí)高頻放大抬高輸出電壓幅度。本系統(tǒng)采用一路模擬開關(guān)AD7802控制正弦波等的輸出，并通過鍵盤模塊按鍵觸發(fā)控制頻率步進(jìn)。主處理器同時(shí)還控制LCD同步顯示輸出波形頻率及幅度大小。從處理器用于控制峰值檢測(cè)、自動(dòng)增益控制等。具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 SPCE061A單片機(jī)控制單元

單片機(jī)控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過SPCE061A控制信號(hào)產(chǎn)生單元、按鍵電路、顯示電路、波形轉(zhuǎn)換電路及幅度控制電路。

1.1.2 直接數(shù)字頻率合成模塊

AD9851是ADI公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)推出的高集成度DDS頻率合成器。本文主要采用SPCE061A控制AD9851頻率控制字實(shí)現(xiàn)頻率合成，并經(jīng)低通濾波器濾除噪聲和雜散信號(hào)，最終得到比較純正的正弦波信號(hào)。同時(shí)，調(diào)制后的正弦波信號(hào)通過主SPCE061A A/D采樣后，并行輸入改變DDS芯片頻率控制字，便可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，基本不需要外圍路，且最大頻偏可由軟件系統(tǒng)任意更變。通過設(shè)置放大部分反饋電阻控制輸出電壓幅度，并使輸出幅度在0～5 V范圍內(nèi)可調(diào)。DDS原理圖如圖2所示。

正弦信號(hào)發(fā)生電路如圖3所示。

1.1.3 正弦波，方波，三角波分時(shí)顯示模塊

該模塊選用模擬開關(guān)AD7502分時(shí)顯示正弦波、方波和三角波，AD7502單芯片CMOS雙路4通道模擬多路復(fù)用器，為可程控模擬開關(guān)，它根據(jù)2個(gè)二進(jìn)制地址輸入和一個(gè)使能輸入的狀態(tài)，將2路輸出總線切換至8路輸入中的2路，功能框圖如圖4所示。本系統(tǒng)選擇1路信號(hào)輸出，正弦波、方波、三角波分別由S1、S2、S3輸入，OUT1控制其輸出，單片機(jī)通過控制A0、A1和EN控制3路信號(hào)輸出。EN=1時(shí)，A0A1=00輸出為方波，AOAI=01輸出為三角波，A0A1=10輸出為正弦波。波形發(fā)生模塊電路如圖5所示。

1.1.4 信號(hào)放大模塊

由于DDS信號(hào)在加負(fù)載的情況下，信號(hào)的幅度穩(wěn)定性比較差，所以首先提高DDS信號(hào)的負(fù)載能力，可以通過電流放大來實(shí)現(xiàn)，然后經(jīng)過后級(jí)電壓放大完成。如圖6所示，用電流放大器OPA2652，再通過高頻放大器THL4001作為后級(jí)電壓放大。首先將DDS的輸出電流用電流放大器OPA 2652放大，提高DDS的負(fù)載能力，受高頻的影響也就相應(yīng)地減小，輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定，然后通過THL4001高頻運(yùn)放放大達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

具體電路原理圖如圖7所示，OPA2652是高增益帶寬積電流放大器，其增益帶寬積為700 MHz，最大輸出電流為100 mA，足夠放大10 MHz的信號(hào)，能夠很大限度地提高電路的帶負(fù)載能力。DDS信號(hào)首先經(jīng)過R5和R6分流，然后進(jìn)入OPA2652放大器同相放大，增益由電位器RF控制。由于是電流放大，所以O(shè)PA2652的典型電路上的電阻值都比較小。在實(shí)際電路制作時(shí)，理論值49.9 Ω電阻用51 Ω的代替，402 Ω的電阻用兩個(gè)200 Ω的電阻串聯(lián)代替，175 Ω的電阻用150 Ω和27Ω的電阻串聯(lián)代替。為了降低電源熱噪聲干擾，電源經(jīng)過0.1μF和6.8μF的電容接地進(jìn)行濾波，正負(fù)電源之間接0.1μF的去藕電容。后級(jí)放大采用單通道、低噪聲、增益變化范圍連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器THS4011，增益帶寬積帶寬為270 MHz，其增益帶寬可以達(dá)到270 MHZ(±4.5 V～1 5 V供電)，并且在60 MHZ的帶寬內(nèi)頻率特性曲線很平坦(0.1dB，G=1)。THS4011的連接方法很多，可以正項(xiàng)輸入，也可以負(fù)項(xiàng)輸入，本系統(tǒng)采用正項(xiàng)輸入法，負(fù)項(xiàng)通過RC回路接地，降低電路本身的噪聲，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大功能。

1.1.5 幅度控制模塊

該模塊采用SPCE061A單片機(jī)控制正弦波幅度。SPCE061A自帶的ADC、DAC無需外部擴(kuò)展，由AD9851輸出的正弦波信號(hào)通過信號(hào)抬高電路進(jìn)入微處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入DAC芯片AD7805，AD7805再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為正弦波輸出。人機(jī)界面，單片機(jī)內(nèi)部D/A將一定數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電流輸出，輸出的電流信號(hào)再通過外部電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出，通過控制AD7805的參考電壓Vref控制正弦波輸出幅度。幅度控制電路如圖8所示。

1.1.6 鍵盤與顯示模塊

鍵盤是人工干預(yù)單片機(jī)進(jìn)行控制的重要手段，可以實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令、切換功能等。此模塊SPCE061A主要用于信號(hào)采集，并選用凌陽1×8 LED鍵盤模組，按鍵控制頻率步進(jìn)及頻率選擇。在顯示模塊上采用128×64 LCD的液晶屏作為波形類別、頻率大小和電壓幅度的顯示終端，鍵盤與LCD在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中構(gòu)成良好的人機(jī)交互界面。

1.1.7 電源電路模塊

因?yàn)?em style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(204, 27, 27); font-style: normal; ">AD9851的工作電壓為3.3 V，AD7502的工作電壓為15 V，THL4011的工作電壓為12 V，所以系統(tǒng)需要多個(gè)電源。采用可調(diào)三端穩(wěn)壓器輸出3.3 V和15 V電壓供給DDS芯片及AD7502，用LM7905穩(wěn)壓芯片提供+5 V穩(wěn)定電壓，用LM7812芯片為THL4011提供12 V的穩(wěn)定工作電壓。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括了具有友好界面的操作菜單、各種信號(hào)的設(shè)置和控制等。系統(tǒng)主要使用C語言編程，SPCE061A主程序用于控制AD9851頻率合成和人機(jī)對(duì)話控制。40位數(shù)據(jù)分五次發(fā)送，系統(tǒng)以按鍵形式控制信息輸入，單片機(jī)在獲取按鍵信息后，按照優(yōu)先級(jí)別設(shè)計(jì)處理不同的狀態(tài)，按照如圖9所示的程序流程圖，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。從單片機(jī)程序主要負(fù)責(zé)波形信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，然后通過7528由主程序控制輸出信號(hào)電壓峰峰值。主次分明的設(shè)計(jì)，使層次化程序的通用性與適應(yīng)性進(jìn)一步增強(qiáng)。在人機(jī)界面上，力求界面的防彈性，做到輸入錯(cuò)誤的保護(hù)，使整個(gè)系統(tǒng)的操作十分人性化。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

當(dāng)接1 kΩ負(fù)載時(shí)，輸出三類波形在不同頻率下的電壓幅值變化測(cè)試結(jié)果如表1～3所列。

由以上測(cè)試數(shù)據(jù)看見當(dāng)帶1 kΩ負(fù)載時(shí)，輸出電平幅值除方波外滿足幅度Vpp=(0～5 V)±0.1 V，而電壓均出現(xiàn)一定誤差。

在輸出為50 Ω負(fù)載的條件下，對(duì)輸出信號(hào)頻率做步進(jìn)測(cè)試，經(jīng)測(cè)試輸出電壓幅度范圍：0.01～6.34 V。完全滿足輸出電壓峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V要求。10 Hz～1 kHz范圍內(nèi)頻率步進(jìn)10 Hz，測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所列。

在10 kHz～1 MHz范圍內(nèi)步進(jìn)1 kHz，測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所列。

由以上測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)在帶負(fù)載能力上效果良好。在輸出為50 Ω負(fù)載條件下效果明顯。且在10 kHz～1 MHz頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，且能滿足輸出電壓峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V。

由示波器輸出波形可以看出，波形干凈、清晰、無任何干擾。由波形看出，本設(shè)計(jì)符合性能指標(biāo)要求，且輸出波形平滑，無明顯失真。在實(shí)際應(yīng)用中，有一定的使用和推廣價(jià)值。