0 引言

信號(hào)源是電子產(chǎn)品測(cè)量與調(diào)試、部隊(duì)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(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，普通的信號(hào)發(fā)生器已無(wú)法滿(mǎn)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(hào)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(diǎn)，因而在雷達(dá)及通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文提出的采用DDS作為信號(hào)發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案，根據(jù)輸出信號(hào)波形類(lèi)型可設(shè)置、輸出信號(hào)幅度和頻率可數(shù)控、輸出頻率寬等要求，選用了美國(guó)A／D公司的AD9850芯片，并通過(guò)單片機(jī)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(shí)現(xiàn)了信號(hào)幅度、頻率、類(lèi)型以及輸出等選項(xiàng)的全數(shù)字控制。該函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、DDS直接頻率信號(hào)合成器、數(shù)字衰減電路、真有效值轉(zhuǎn)換模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字積分選擇電路等部分組成。

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(gè)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(chǔ)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(shí)鐘頻率，N為相位累加器的字長(zhǎng)，D為ROM數(shù)據(jù)位及D／A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。相位累加器在時(shí)鐘fc的控制下以步長(zhǎng)K累加，輸出的N位二進(jìn)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(lái)對(duì)波形ROM進(jìn)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(guò)低通濾波器平滑，就可以得到合成的信號(hào)波形。由于合成的信號(hào)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(jì)

3.1 DDS信號(hào)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(hào)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(diǎn)，該方案選用美國(guó)A／D公司的AD9850芯片，并采用單片機(jī)為核心控制器件來(lái)對(duì)DDS輸送頻率控制字，從而使DDS輸出相應(yīng)頻率和類(lèi)型的信號(hào)，其DDS信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 DDS信號(hào)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(hào)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(diǎn)，該方案選用美國(guó)A／D公司的AD9850芯片，并采用單片機(jī)為核心控制器件來(lái)對(duì)DDS輸送頻率控制字，從而使DDS輸出相應(yīng)頻率和類(lèi)型的信號(hào)，其DDS信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3所示。

單片機(jī)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(jī)資源，本設(shè)計(jì)選擇并行方式將AT89S52的P0口經(jīng)74HC373鎖存器擴(kuò)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(hào)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(hào)。這樣，將D／A轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)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(gè)抖動(dòng)很小的方波。再將方波信號(hào)加至積分電路，即可得到三角波信號(hào)。另外，也可通過(guò)鍵盤(pán)編輯任意波形的輸出信號(hào)。

3.2鍵盤(pán)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(pán)。由于LCD具有顯示內(nèi)容多，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用單片機(jī)資源少等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用RT1602C型LCD液晶顯示屏來(lái)顯示信號(hào)的類(lèi)型、頻率大小和正弦波的峰一峰值，圖4所示是鍵盤(pán)輸入及LCD接口電路圖。

同樣，考慮到AT89S52單片機(jī)的IO引腳資源有限，本系統(tǒng)的鍵盤(pán)輸入及LCD輸出均通過(guò)74HC245連接到AT89S52單片機(jī)的P0端口，從而實(shí)現(xiàn)端口擴(kuò)展和復(fù)用。

3.3信號(hào)幅度數(shù)控預(yù)置電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的正弦模擬信號(hào)幅度的數(shù)字控制和預(yù)置，本系統(tǒng)采用了AD811高速運(yùn)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(shí)現(xiàn)信號(hào)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(fù)責(zé)信號(hào)的TRMS／DC轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)TLC2453模數(shù)轉(zhuǎn)換向單片機(jī)輸送正比于正弦波信號(hào)幅度的數(shù)字量，以便單片機(jī)輸出合適的幅值控制指令。

 

3.4積分電容自動(dòng)切換控制電路

三角波是常用信號(hào)之一，本系統(tǒng)采用RC積分電路將方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成三角波。由于信號(hào)頻率很寬(低頻達(dá)1 Hz以下，高頻達(dá)60 MHz以上)，為了完成不同頻段的線(xiàn)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(dòng)切換的需要，本系統(tǒng)采用如圖6所示的CD4051八選一電路。

CD4051的八選一控制信號(hào)來(lái)源于AT89S52的P0～P3接口，74HC373P也是考慮復(fù)用P0端口而設(shè)置的。AD9850輸出的方波經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換為三角波后，經(jīng)AD811高速運(yùn)放可提高其負(fù)載能力。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序

主程序可控制整個(gè)系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的初始化、顯示、運(yùn)算、鍵盤(pán)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。

初始化可將系統(tǒng)設(shè)定為默認(rèn)工作狀態(tài)，然后通過(guò)掃描鍵盤(pán)來(lái)判斷是否有按鍵按下以確定用戶(hù)要執(zhí)行的任務(wù)，同時(shí)通過(guò)判斷23H.4、20H.1、20H.0各功能標(biāo)志位來(lái)確定應(yīng)完成的功能。當(dāng)23H.4=1時(shí)，計(jì)算頻率值系統(tǒng)工作在頻率計(jì)方式下；當(dāng)20H.1=1時(shí)，檢測(cè)峰峰值系統(tǒng)將檢測(cè)輸出信號(hào)的峰峰值：而當(dāng)20H.0=1時(shí)．則更新LCD顯示內(nèi)容，當(dāng)執(zhí)行完后返回鍵盤(pán)掃描程序并以此循環(huán)。各功能標(biāo)志位均由鍵盤(pán)、峰峰值檢測(cè)和定時(shí)程序等控制，從而實(shí)現(xiàn)各種功能。

4.2鍵盤(pán)掃描子程序

鍵盤(pán)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(pán)來(lái)節(jié)約I／O口，并用程序把8根列線(xiàn)全部拉低，再判斷2根行線(xiàn)是否有低電平，如果沒(méi)有，說(shuō)明沒(méi)有按鍵被按下，系統(tǒng)則退出鍵盤(pán)掃描程序，否則，依次拉低列線(xiàn)，然后依次判斷行線(xiàn)是否有低電平并判斷鍵號(hào)，鍵號(hào)確定后再轉(zhuǎn)到鍵號(hào)相對(duì)應(yīng)的功能程序去執(zhí)行。鍵盤(pán)主要方便用戶(hù)設(shè)置頻率、幅度、選擇工作方式等功能。

4.3 信號(hào)頻率數(shù)字預(yù)置子程序

信號(hào)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(pán)輸入值轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)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(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，本系統(tǒng)采用DDS完全可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)類(lèi)型的選擇設(shè)置、信號(hào)頻率數(shù)字預(yù)置、信號(hào)幅度數(shù)字步進(jìn)可調(diào)等功能，是一種輸出信號(hào)頻率覆蓋寬(0.023 Hz～40 MHz)、信號(hào)源分辨率高、波形失真小、全數(shù)控型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。具有一定的實(shí)用開(kāi)發(fā)價(jià)值。