基于AD9833的智能信号发生器设计与仿真

高祥, 杨小锐, 蔡乐才, 居锦武, 高媛媛

(1.四川理工学院 a.机械工程学院;b.计算机学院;c.理学院, 四川自贡643000;2.宜宾学院, 四川宜宾644000)



基于AD9833的智能信号发生器设计与仿真

高祥1a, 杨小锐1a, 蔡乐才2, 居锦武1b, 高媛媛1c

(1.四川理工学院 a.机械工程学院;b.计算机学院;c.理学院, 四川自贡643000;2.宜宾学院, 四川宜宾644000)

针对高频信号源直接数字频率合成存在较多杂散信号和较窄输出频带等问题，提出了一种频率和相位可编程的智能信号发生器设计方法。该系统的波形发生器采用DDS芯片AD9833，通过单片机编程控制，可实现正弦波、三角波和方波等多种波形输出。输出频率相对误差数量级为10-5时，正弦波最高频率为10 MHz，最低频率为10 Hz；方波和三角波最高频率为5 MHz，最低频率为100 Hz。仿真结果表明，该系统具有杂散信号小、输出频带宽、精度高、切换速度快等特点。

频率合成技术;信号发生器;智能信号;仿真

引言

高频宽带信号发生器是工业自动化过程控制和机械设备振动试验的重要测试仪器，要求其具有很高的频率精度，同时输出信号要求宽频带且相位连续[1-2]。基于DS技术和PLL技术进行频率合成的信号发生器，不能实现高精度和良好频谱纯度的功能，而采用DDS技术的信号发生器输出波形的相位连续、稳定度高，具有非常高的频率精度和输出带宽。DDS技术采用数字合成方法产生相对于采样时钟相位和频率均可调节的信号，再经正弦ROM表映射产生相应波形[3-4]。目前，基于DDS的智能信号发生器设计方案主要有以下3种：(1)基于单片机和数模转换器方案。其实质是单片机通过程序控制数模转换器产生简单的输出波形，波形的高频特性和精度受单片机的性能限制，输出波形的频率较低，软件设计较复杂[5]；(2)单片机和锁相环集成芯片方案。利用锁相环分频的方式产生输出波形，虽然输出波形具有良好的稳定性，但存在频率转换精度和信号切换速度冲突的问题；(3)基于数字信号处理器的方案。其波形由DSP或者FPGA的软件程序产生，具有精度高、失真小等优点[6-7]，但存在软件设计复杂，性价比不高等缺点。本文选用专用可编程波形发生芯片AD9833进行频率合成，系统的软硬件设计经过仿真测试，输出波形频谱纯度和波形稳定度很高。

1 波形发生器AD9833基本原理

AD9833自带工作频率高达40 MHz的3线SPI接口，外部控制器通过SPI接口对AD9833进行编程操作，AD9833的内部结构如图1所示。相位寄存器的数值随着外部时钟信号步进增加，该数值与外部控制器产生的相位控制字相加后输入到正弦数据存储地址中得到地址相位信息。地址相位信息通过正弦数据存储表映射得到数字量信号S(n)，该信号经过数模转换后得到模拟梯形波信号S(t)，最后经过低通滤波器得到精度和杂散抑制度很高的输出波形[8]。该芯片可通过软件编程改变控制输出信号相位和频率参数，实现相位连续状态下的多波形快速切换。

图1 AD9833工作原理图

2 系统硬件设计

2.1 硬件结构总体设计

硬件平台按照功能模块进行设计，主要功能模块包括系统电源模块、执行模块、数据交换模块、决策模块和操作模块。决策模块采用STC15W4K32S4单片机为主控制器，是整个硬件平台数据处理和信息交互的核心；执行模块采用波形发生器AD9833集成芯片作为直接数字频率合成中心；操作模块和数据交互模块提供了人机交互接口和程序下载调试功能；系统电源模块根据各模块的工作电压分别设计了独立供电电路。单片机接收用户键盘输入的所需波形和频率幅值参数，产生相应控制字传递给波形发生器芯片AD9833，AD9833收到控制字后产生所需波形，同时单片机驱动液晶显示该波形名称、频率等参数信息。硬件平台设计如图2所示。

图2 硬件平台总体设计图

2.2 波形发生器电路设计

AD9833是ADI公司生产的一款完全集成的直接数字频率合成(DDS)芯片，该芯片具有休眠功能，即未工作部分能进入休眠状态，可大大降低系统功耗。同时AD9833外部电路简单，通过SPI接口与控制器连接，配合简单的解耦电容器、精度要求不高的电阻器和有源晶振就可以产生频率较高的波形信号，其与单片机连接电路如图3所示。

图3 AD9833与单片机连接电路

2.3 人机界面硬件设计

本设计的智能信号发生器采用4×4的矩阵键盘作为命令参数输入工具，键盘的编码值可通过行列扫描方式得到，单片机采用并行方式与液晶连接，可以显示人机交互信息及输出波形的参数信息，人机界面硬件设计如图4所示。

图4 人机界面硬件电路

2.4 滤波电路设计

AD9833输出频率范围为0～12.5 MHz，为保证输出波形在工作范围内最大程度不失真，设计了截止频率为12 MHz的二阶巴特沃斯低通滤波器[9-11]，其传递函数的如下：

(1)

电路结构采用无限增益多路反馈型电路，其基本结构如图5所示。

图5 二阶巴特沃斯低通滤波器电路

为了取得良好的低通滤波效果，需要根据给定频率fc大小，参考二阶无限增益多路反馈巴特沃斯低通滤波器设计电容选择表选择电容C1大小为100 pF[12]，然后根据所选择电容C1的理论值，计算电阻换标系数K。

(2)

按二阶无限增益多路反馈巴特沃斯低通滤波器设计用表确定电容C2与归一化电阻值r1～r3，将归一化电阻值乘以换标系数K得到各电阻实际值，具体数据计算如下：取增益Kp=-2，查表可得r1=2.565kΩ，r2=3.292kΩ，r3=5.130kΩ。用归一化阻值分别乘以电阻换标系数并根据常用电阻值系列可确定实际电阻R1=220 Ω，R2=330 Ω，R3=470 Ω，C2=0.15x100 pF=15 pF，取C2=20 pF。

2.5 信号处理电路设计

波形发生器AD9833产生的输出信号电压幅值较小，不便于驱动后级的负载电路，所以需要进行信号电压幅值放大。经过滤波之后的波形输出信号首先经过一级由高精度运算放大器OAP2277组成的电压跟随器，这样可以进一步优化滤波电路的输出阻抗，然后输出信号加到后级运放的同相输入端实现电压幅值的负反馈放大。本设计的运放电路采用宽频带精密放大器ADA4627，其具有低噪声和低失调、漂移的特性，适合应用于不容许存在误差源的场合。具体信号处理电路如图6所示。

图6 波形信号处理电路

3 系统软件设计

系统上电完成初始化后，单片机根据扫描得到的键盘输入信息计算出波形参数，并产生相应控制字传递给波形发生器AD9833芯片，最终输出和设定值相同频率和幅值的相应波形，同时将波形的参数信息显示到LCD上，具体流程如图7所示。

图7 系统软件流程图

单片机对AD9833写控制寄存器、频率寄存器和相位寄存器时，首先需要把选通信号置为有效状态，此时写入的数据才有效。单片机完成AD9833的初始化工作后，设置其数据写入方式，最后写入数据得到想要的波形。具体软件流程如图8所示。

图8 单片机控制AD9833软件流程图

4 仿真测试

本系统的仿真测试工作在Multisim 10.0平台上完成。测试过程中使用软件内部提供的模拟键盘设定需要产生波形的类型、频率和幅值参数，依次产生峰值电压20 V，频率100 Hz的正弦波、方波和三角波[13]，并将测试的波形信息显示在模拟示波器中，具体测试结果如图9所示。

图9 多波形信号测试仿真图

为测试本设计信号发生器的频率带宽和频率精度特性，对信号发生器输出的正弦波频率精度进行仿真测量，测量结果见表1。

表1 正弦波仿真结果

对方波频率精度进行仿真测量，测量结果，见表2。

表2 方波仿真结果

对三角波频率精度进局中真测量，测量结果见表3。

表3 三角波仿真结果

以上实验结果表明，该智能信号发生器产生的波形具有很高的精度和稳定性，并且输出信号的频带很宽。相对误差为10-5时，输出的正弦波频率范围为10 Hz～10 MHz；方波的频率范围为100 Hz～5 MHz；三角波的频率范围为100 Hz～5 MHz。

5 结论

本文利用波形发生器AD9833集成芯片设计了一种智能信号发生器，该信号发生器可根据使用者的指令输出多种波形信号，具有波形稳定、相位连续的优点，同时具有很宽的频域和较高的精度指标。

(1)本设计的智能信号发生器与基于单片机和数模转换器的方案相比，具有更高的波形输出频率和输出带宽。

(2)与单片机和锁相环集成芯片的方案相比，输出波形的精度更高，并且波形间的切换速度更快。

(3)与基于数字信号处理器的方案相比，两者都具有很高的输出波形稳定度和高频带宽，但本设计的软硬件相对简单，缩小了开发的难度和周期，具有更高的性价比，所以本设计的智能信号发生器非常适合应用于工业自动化过程控制和机械设备振动试验等相关领域。

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Design and Simulation of Intelligent Signal Generator Based on AD9833

GAOXiang1a,YANGXiaorui1a,CAILecai2,JUJinwu1b,GAOYuanyuan1c

(1a.School of Mechanical Engineering; 1b.School of Computer Science; 1c.School of Science, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China; 2.Yibin University, Yibin 644000, China)

There are many spurious signal and narrow output frequency band in the direct digital frequency synthesis for high frequency signal source. Aiming at these problems, a design method of frequency and phase-programmable intelligent signal generator is proposed. The waveform generator of the system has used DDS chip AD9833. Through microcontroller programming control, the outputs of a variety of waveforms, such as sine wave, triangular wave, square wave, can be achieved. When the order of magnitude of the relative error of output frequency is 10-5, the highest frequency of sine wave is 10 MHz, and the lowest frequency is 10 Hz; the highest frequency of square wave and triangular wave is 5 MHz, the lowest frequency is 100 Hz. The simulation results show that the system has the characteristics of small spurious signal, wide output frequency band, high accuracy, fast switching speed and so on.

frequency synthesis technology; signal generator; intelligent signal; simulation

2015-04-14

人工智能四川省重点实验室基金项目(2013RZY03);企业信息化与物联网测控技术四川省高校重点实验室开放基金项目(2013WYY05;2013WZY04;2014WZY01);四川理工学院科研基金项目(2014KY03;2012KY22);自贡市科技局创新团队项目(2013z167)

高 祥(1983-),男,山东胶州人,助教,硕士,主要从事物联网测控技术、智能仪器仪表、光机电一体化技术与设备方面的研究,(E-mail)319007gao@163.com

1673-1549(2015)03-0057-05

10.11863/j.suse.2015.03.12

TM935;TN74;TP391.9

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