一种实验室信号发生器的设计

卢进军，洪信根

（陕西理工学院 物理与电信工程学院，陕西 汉中 723001）

信号源是一种基本的电子设备，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普遍、最基本也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到信号发生器。

1 DDS函数发生器

根据粮仓分布特点，系统结构分为3部分：CAN总线构成的现场测控网络、嵌入式网关、三层B/S（Browser/Server）模式的粮情查询网络。如图1系统架构示意图。

该函数信号发生器主要由AD9851芯片产生预期的正弦波，然后通过芯片内部自带的高速比较器得到方波，采用DDS芯片AD9851来设计函数信号发生器。采用STC89C52单片机为控制核心，对AD9851的频率相位控制字进行控制，产生所需要的正弦波形。同时，对液晶LCD12864进行控制，通过菜单的模式，选择所需要的频率输出方式。采用矩阵键盘输入相应的操作命令，使得整个设计显得更加直观明了。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

硬件电路主要由AD9851为核心的数字合成模块、STC89C52单片机控制模块、信号处理模块、电源管理模块、矩阵键盘输入模块和LCD12864液晶显示模块等构成。通过电源管理模块给系统供电，然后，通过矩阵键盘输入模块输入要输出的波形的频率，和步进频率。此时可以在LCD12864液晶显示模块上看到所要输出的频率大小，通过单片机将数据发送给AD9851数字合成模块，就能够产生所需要频率的波形。

DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理如图2所示[1]。

本系统采用了美国模拟器件公司采用先进DDS直接数字频率合成技术生产的高集成度产品AD9851芯片。AD9851是由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模/数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。其中具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器集成到一起。这个高速DDS芯片时钟频率可达180 MHz，输出频率可达 70 MHz，分辨率为 0.04 Hz[2]。

为了能够完成调频的功能，要向AD9851输入频率控制字，这个控制过程通过AD9851和微处理器相连接来实现。本设计中选用的是深圳智威（香港）电子有限公司生产的单片机STC89C52。

2 系统的硬件电路

本系统主要由STC89C52单片机控制模块，矩阵键盘输入模块，LCD12864液晶显示模块，AD8954为核心的数字合成模块，以及信号处理模块组成。其中，信号产生由单片机控制模块和数字合成模块实现，矩阵键盘和液晶显示模块用来实现人机交互功能，信号处理模块则用来对信号进行后期处理。用户可以从矩阵按键输入命令，随后相关数据会显示在液晶显示器上，同时由单片机控制DDS芯片AD9851输出正弦波或方波，再通过后级信号调理电路，输出所需用的波形信号。

2.1 STC89C52单片机控制模块

单片机的典型组成框图如图3所示。由图可以看出单片机通过内部总线将单片机内部的各个主要部件连接为一体，其中内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线[3]。

图3 单片机结构框图Fig.3 Structure diagram of the SCM

2.2 AD9851为核心的数字合成模块

AD9851采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生[4]。AD9851采用CMOS工艺，功耗低，在3.3 V供电时，功耗仅为155 mW。同时，由于AD9851采用贴片封装形式，所以体积非常小，引脚排列比较密，焊接时必须小心，还要防静电，焊接过程中很容易烧坏芯片。在使用中数据线、电源时，接反或者接错都容易损坏芯片。所以在AD9851外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护。为了不受外界干扰，添加了不少的滤波电路，显得整个电路完美。本系统主要用AD9851芯片来产生正弦波和方波，波形频率高而且波形稳定无失真。系统中AD9851的外围电路图如图4所示。

图4 AD9851外围电路图Fig.4 External circuit of AD9851

2.3 矩阵键盘输入模块

在键盘中按键数量较多，为了减少I/O口的占用，将按键排列成矩阵形式。每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4×4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。矩阵键盘输入模块如图5所示。

2.4 LCD12864液晶显示模块

系统需要在液晶显示模块中显示汉字，并且有很好的人机交互界面，为使系统能更好的实现显示功能，同时又能节省I/O口资源，所以选择LCD12864。

3 程序设计与系统调试

整个系统的硬件调试对STC89C52单片机最小系统、LCD12864液晶显示模块、矩阵键盘输入模块依次调试，在正常工作后接入AD9851数字合成模块，用示波器观察输出端口能否产生稳定的正弦波和方波。系统的软件程序设计是实现控制重要的环节。

3.1 程序设计与说明

系统程序由主控制程序、AD9851驱动程序、12864显示驱动程序、键盘扫描程序等构成。主控制程序用于识别按键，解释命令，并获得完成该命令的相应模块入口，引导信号发生器进入正常工作状态，协调各部分软件的工作。同时将计算出的频率控制字传送给AD9851，再由AD9851产生出需要频率的波形。系统的软件设计流程图如图6所示。

图6 软件设计的流程图Fig.6 Flow chart the software design

3.2 信号发生器的调试

采用数字万用表和示波器对信号发生器产生的信号进行测试。最终的试验平台由设计的DDS信号发生器和示波器组成，实验室中使用的示波器带宽为25 MHz。图7和图8所示是该信号发生器在单频模式功能下输出的波形，图7—图10为调试过程中，示波器和LCD菜单上显示的结果。

图7 输出为31MHz的正弦波Fig.7 Sin wave output of 31MHz

图8 LCD菜单界面显示Fig.8 The display interface of LCD menu

图9 输出为300kHz的方波Fig.9 square wave output of 31kHz

图10 LCD菜单显示界面Fig.10 The display interface of LCD menu

图7 为系统生成的31.06 MHz的正弦波，理论上应该产生31 MHz的正弦波，出现不同的原因主要有两方面：1）示波器本身的影响，实验室的示波器最高输出频率位25 MHz。2）31 MHz的正弦波已经是属于高频的信号了，而系统是手工焊接的，在高频信号的处理这方面做的不是很好。解决这一误差的方法是：换更高频率的示波器（如60 MHz的示波器）和做PCB印刷电路板（能更好的抑制高频干扰）。图8是系统的LCD12864液晶菜单显示界面，界面上显示了当前输出波形的频率和步进频率。准确的显示了最重要的信息。当前输出波形的频率是31 MHz，当前的步进频率是1 MHz。输入的频率值和实际输出的波形的频率基本吻合，达到设计要求。图9是系统生成的300 kHz的方波，频率值理论和实际没有误差，并且波形有的失真。图10是系统产生方波时的LCD菜单界面，准确清晰的显示了输出波形的频率和当前步进频率。当前的输出波形频率是300 kHz，步进频率是100 kHz。经过大量的数据测试，本系统的正弦波的输出最高的频率为45 MHz，方波的最高输出频率是1 MHz，并且波形无明显失真。并且整个系统通过按键可以稳定的调节想要输出的频率，完全达到了设计要求。

4 实验结果及误差分析

4.1 测试数据

系统实测值与理论值比较如表1所示。

表1 系统产生正弦波与方波的测试数据和理论值的比较Tab.1 Comparison of the system to generate the test data and theoretical values of the sine and square wave

4.2 误差分析

测量本身存在的误差，这种误差是系统不可避免的误差[7]，但它对测量结果影响不大；系统的滤波电路做的不是很精确，有一些电容没有，找了容值相近代替了；电路是用手工焊接的，系统不是很稳定；外界环境对电路系统存在高频干扰。

4.3 减少测量误差采取的措施

提高工艺，制作印刷电路板，如此可增强系统的抗干扰能力；优化软件程序，可提高系统的整个效率，使采样更加迅速，显示更加稳定、可靠；提高晶振频率的准确度和稳定度以减少误差。

5 结束语

整个波形信号发生系统用户可以从矩阵按键输入命令，随后相关数据会显示在液晶显示器上，同时由单片机控制DDS芯片AD9851输出正弦波或方波，再通过后级信号调理电路，输出所需用的方波信号。本设计的特点：DDS数字频率合成信号源输出精度高，频率范围宽，频率输出稳定，功耗低，控制方便；正弦波最高输出频率可达45 MHz；将DDS芯片AD9851与超低功耗的STC89C52单片机相结合，提出了具有较高性价比和集成度、低功耗的嵌入式信号源设计方法。

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