基于STC12C5A60S2的函数信号发生器的设计

孙清泉，陈锦涛，饶连周，林永福，曾金顶

(三明学院机电工程学院,福建三明365004)

基于STC12C5A60S2的函数信号发生器的设计

孙清泉，陈锦涛，饶连周，林永福，曾金顶

(三明学院机电工程学院,福建三明365004)

研究了一种函数信号发生器。该信号发生器由单片机STC12C5A60S2、DDS芯片AD9851、以及高频运放AD603等组成，实现了幅度和频率可调的多种波形（三角波、方波、正弦波）输出的功能。通过实物制作，其性能指标达到了设计要求，具有一定的应用和推广价值。

单片机；AD9851；信号发生器

早期的波形发生器基本都是通过模拟电路来实现的，而且输出波形不稳定、输出频率低，而采用MAX038[1]和DDS技术实现的波形发生器，可以产生各种波形，而且输出的频率精度也高，还可以方便调节波形的参数（如频率、相位、幅度)。特别是由AD9851产生的波形具有精度高，输出频率高等优点[2-5]。笔者采用AD9851与单片机STC12C5A60S2结合，设计出了一种频率和幅度可调的函数信号发生器，并完成了相应的软件和硬件的设计。该信号发生器具有输出频率高、体积小巧、灵活方便等优点。

1 系统的结构

整个系统由单片机STC12C5A60S2、DDS芯片AD9851、液晶LCD12864、模拟开关、积分电路、放大电路和4*4矩阵按键这几部分组成。其中单片机负责整个系统的控制；按键作为菜单控制的选择按钮；AD9851负责产生波形；LCD12864负责显示；积分电路用于生成三角波；模拟开关用于选通输出波形的形式；放大电路用于幅度的调节。其系统结构框图如图1所示。

2 系统的硬件设计

2.1 DDS芯片AD9851的简介

AD9851是美国AD公司生产的DDS芯片。DDS具有频率转换速度快、输出频率高等优点。AD9851主要由倍频器、数据输入寄存器、D/A转换器、内部高速比较器等几部分组成，输出频率可达到70 MHz[5]。

图1 系统结构框图

2.2 单片机与AD9851的接口电路设计

通过单片机STC12C5A60S2控制AD9851产生稳定的方波和正弦波，再通过积分电路、程控放大电路等实现幅度和相位的调节以及三角波、锯齿波、斜波等的生成。

单片机的P2.0-P2.7口接到AD9851模块的D0-D7口，作为数据传输接口。P3.4作为AD9851的系统时钟频率输出，P3.5接FQ_UD引脚，用于数据更新位，P3.6控制DDS内部DAC的输出电流。输出信号有两路，分别为0-70 MHz的正弦波sine和方波信号square1、square2，这些信号再通过信号处理电路处理后，即可输出所需求的信号。电路图如图2所示。

图2 单片机与AD9851模块的接口电路图

2.3 信号处理电路设计

AD9851的输出频率能达到70MHz，为了能在后级输出比较高的频率，使用高带宽的AD603放大器，该芯片的带宽可以达到90MHz，能够满足设计要求[6]。U3是一种双四选一模拟开关芯片TC4052，开关控制引脚由单片机U4的P0.4和P0.5来控制。

信号处理电路中，U3的1脚、2脚和U1的3脚分别接AD9851产生的正弦波sine，square 1和square 2。U1积分电路所产生的三角波由7脚输出送U3的5脚。U3的3脚输出信号送程控放大电路AD603的3脚信号输入端。通过单片机U4的P3.7输出PWM信号去控制AD603的放大倍数，放大后的信号再由信号输出端输出。信号处理电路如图3所示。

2.4 键盘与显示接口电路的设计

4×4矩阵键盘的K0-K7分别接单片机的P1.0-P1.7口，12864液晶的数据口接单片机的P0.0-P0.3口（由于I/O口不够用，所以采用四线驱动，四线驱动就是液晶数据线只接低4位，程序里面先发送一次8位数据，取出低4位移到高4位，然后再发送一次8位数据，取出低4位，与之前的高4位相或，即可完成8位数据的传输），RS接单片机的P3.0，R/W接单片机的P3.1，EN接单片机的P3.2。输出波形的各项参数及波形图可以直接在液晶上显示出来。液晶及键盘电路图如图4所示。4*4距阵键盘功能图如图5所示。

3 软件设计

3.1 系统总流程图

控制菜单主要通过4*4距阵按键实现，其16个按钮分别控制0-9、正弦波、方波、三角波、上一页、下一页、主菜单这几个功能（见图5），具体的系统总流程图如图6所示。

图3 信号处理电路图

图4 液晶及键盘电路

图5 键盘功能图

图6 系统总流程图

3.2 频率设置子程序的设计

设置频率的时候先复位一下AD9851，然后向其写入频率设置命令，再调用键盘扫描程序输入频率值，完成频率的设置，最后输出所设置的频率值,见图7。

图7 频率设置子程序流程图

4 结论

采用先进的DDS芯片AD9851、单片机STC12C5A60S2以及高带宽的AD603放大器，完成了函数信号发生器的设计，实现了频率和幅度可调的多种信号（正弦波、方波、三角波）的输出。通过硬件调试，输出波形最高频率可达50 MHz，但在高频率段存在一定的相位噪声和杂散信号。该信号发生器使用方便快捷，外观小巧，性能优越，具有一定的应用和推广价值。

[1]袁放成.函数信号发生器的设计[J].三明学院学报,2007,24(2)：146-151.

[2]陈小桥,黄恩民,张雪滨,等.基于单片机与AD9851的信号发生器[J].实验室研究与探索,2011,30(8)：98-102.

[3]尚建荣.基于DDS的程控信号发生器设计[J].现代电子技术,2011,34(9)：105-107.

[4]刘昱,史玉玲,柳莹,等.基于AD9851的正弦信号发生器设计[J].电子设计工程,2009,17(7)：14-16.

[5]郭勇,肖明清,谭靖,等.DDS芯片AD9851及其应用[J].电子技术,2001,28(2)：54-56.

[6]许正望.可变增益放大器AD603及其使用[J].湖北工学院学报.2000,15(3)：33-35.

Design of Function Signal Generator Based on STC12C5A60S2

SUN Qing-quan，CHEN Jin-tao，RAO Lian-zhou，LIN Yong-fu，ZENG Jin-ding
(College of Electromechanical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

A kind of function signal generator is studied in this paper.The signal generator is composed of single chip STC12C5A60S2,DDS chip AD8951,and the high frequency amplifier AD603,which has a variety of waveform(triangle, square wave,sine wave)amplitude and frequency adjustable output function.Through object-making,the performance indexes achieve the design requirement,which has a certain value of application and popularization.

STC12C5A60S2;AD9851;signal generator

TN741

A

1673-4343（2013）04-0043-04

2013-04-25

大学生创新性实验计划项目（ZL1216/CS(sj),201211311009,201211311014）;"卓越工程师"教育培养计划改革试点项目（SD1108）;三明学院教学改革项目(L1116/Q)

孙清泉，男，山东人，助理实验师；通讯作者:饶连周，男，福建明溪人，教授。研究方向:光电技术及自动控制。