基于DDS 数字直接合成技术信号发生器设计

2014-01-02刘平英李红婷梁旭东

中国科技信息 2014年24期

刘平英李红婷梁旭东徐军

南京信息工程大学信息与控制学院

本文基于DDS 数字直接合成技术，研制一种通过键盘操作和LED 显示的信号发生器，其输出波形频率、幅值可任意分段编程和调节，系统测试表明该信号发生器误差范围小，精度高，人机对话性能优良，稳定可靠，易于操作，具有广泛的工程应用前景。

信号发生器是一种常用的信号源，它可以产生多种波形信号，因而在通信、测控、导航、雷达、医疗等领域有着广泛的应用。传统信号发生器有用分立元件组成的函数发生器，晶体管、运放等通用器件制成的信号发生器和利用单片集成芯片的函数发生器。传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡获得所需频率，导致其发生频率不高，工作不稳定，不易调试。相比传统的设计方法，DDS 直接数字合成技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理是频率合成技术的一次重大改革，它在相对带宽、频率转化时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标已远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平。

但由于DDS 数字化实现的固有特点，决定了其输出频谱杂散较大，对杂散的分析和抑制一直是国内外研究的热点。项目通过对DDS 技术相位舍位、幅度量化和DAC的非理想特性研究分析，解决输出频谱杂散、精度等问题，研制具有广泛工程应用前景的信号发生器，对信号发生器的设计方法和原理具有指导意义。

主要技术指标

本设计是基于可编程信号发生器AD9833 和单片机C8051F020 研制可产生各种频率，并通过键盘操作改变输出波形和频率，且能LED 显示的高精度信号发生器。主要技术指标如下：

1）输出频率f：10～9999 Hz，可调整。（值误差1%）

2）输出电压A：0～9.9V（有效值），可调整。（0.1V/档）（值误差3%）

3）输出频率（输出电压）可按时间分段编程。

正弦波有效值A（或频率f）可以按时间段设定。如图1 所示，前段结束时的参数就是后一段的起始参数（连续线），本段起始参数与上段结束时的参数不一致（跳变线），结束段做完从起始段重复。本机共分n 段，不用的段时间长度为零，每段时长为n 秒。运行的开始时间以及总运行时间可任意设定。

4）参数设置方法

4.1 通讯总线方式：485 协议：modbus RTU 地址：0 主机地址：1-31 从机默认地址：1

4.2 可拆卸键盘、LED 显示器手动设置

5）输出

5.1 音频信号输出阻抗：小于等于600 欧，

5.2 显示分辨率频率显示：9999Hz 幅值显示：9.9V（可拆卸LED 显示器）。

6）校准接标准负载，通过可拆卸键盘、LED 显示器手动校准。

硬件设计

信号发生器由五个电路模块组成：微处理器（C8051F020）、波形发生器（AD9833）、电源模块、输出接口模块、通信接口模块。其系统结构如图2 所示。

微处理器模块

该系统由混合信号系统级微控制器C8051F020 作为主控芯片，C8051F020 基本外围电路有时钟电路、复位电路、弱上拉电路、预留接口和TAG 连接电路。该芯片能接收通信接口模块的信号，对波形发生器的幅值、频率进行控制，通过JTAG 与计算机连接进行编程。

电源模块

电源模块有两个开关型集成稳压芯片LM2596、两个发光二极管和一个的-5V 稳压电路组成。LM2596 产生的3.3V、5V、-5V 的直流稳压电源分别给微处理器、通信接口模块、波形发生器模块、输出接口模块供电。

波形发生器模块

波形发生器模块由AD9833 配置电路和1M 的有源晶振电路组成。AD9833 是ADI 公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器，外部电路仅需少量元件就能产生高达12.5MHz 的正弦波。AD9833 的配置电路如图3 所示，C8051F020 产生的控制信号和波形通过SPI 接口与AD9833 的8、7、6 脚相连，经过滤波后输出。有源晶振的频率选择不得低于输出频率，采用串行输出模式，接收处理器的数据和输入控制信号。波形发生器有独立的时钟电路，AD9833 的时钟由其决定。

图1 时间段设定示意图

图2 系统结构图

通信模块

通信模块由SP1486E 及其外围电路组成，SP1486E 是半双工差分线收发器，适合使用在多点总线传输线上的高速双向通信中。每个器件都包含1 个差分驱动器和1 个差分接收器。作用是将PLC 信号发给C8051F020，也将C8051 的信号发给PLC，采用485 通讯的自由协议方式。

输出模块

由双路选择、输出波形调整电路、数字控制电位计9013、反向放大电路及反馈电路组成。双向选择电路由两个作用：一、电平转移，将0 和3.3V（或5V）的电平转换为-5V 和3.8V 的电平；二、可以选择输出波形，随机或正弦波。输出波形调整电路可将信号发生器的输出信号调整到以零为基准，幅值调整到合适的值，便于数字电位计调节，同时输出波形倒向。数字控制电位器可以控制幅值，实际调节范围由VH 和VL 决定。反相放大电路使输入波形倒向同时有放大的作用，可以提高带负载能力。反馈电路用于将输出信号反馈到处理器ADC0.0 端，通过测量来调整输出波形幅值，由两级滤波一级分压电路串联组成。

软件设计

软件设计主要是对单片机的程序编写，单片机的主要工作是键盘输入、液晶显示、调节正弦波幅度、接收PLC 指令和控制DDS 芯片的工作状态。主要的程序段包括幅值调节模块、频率调节模块、C8051F020 单片机的初始化，串口初始化、ADC0 口初始化、与PLC 通讯等，单片机的初始化程序包括关看门狗、时钟检测、端口初始化、SFR 初始化、端口的宏定义等。主程序流程如图4 所示，设置为无限循环模式，串口通讯应该采取中断方式，包含输出模式选择程序。

图3 AD9833 配置电路

图4 主程序流程图

图5 PLC 程序

系统调试

为了检验系统的性能，完成所有设计之后，到该系统进行了实测。给PLC、15V 电源和示波器上电（PLC和单片机中都已经预存程序），单片机就开始工作。PLC 中预存的通讯程序如图5 所示，单片机发送的信号为300Hz——400Hz 扫频，Δt=1s，Δf=（400-300）/20=5Hz，各频段信号的最大值稳定在10V（100）。

修改图中%MW204 的值，可以改变扫频的起始频率；修改图中%MW206 的值，可以改变扫频的终止频率；修改图中%MW208 的值，可以修改扫频的Δf；修改图中%MW210 的值，可以修改扫频时各频段的幅值。若需要单片机发送出单频信号，可以修改通讯协议中的%MW204 和%MW206 为相同的值或者可以设置单片机为手动方式。测试结果如表1 所示，值误差小于1%，满足设计要求。