一种基于AD9854的信号发生器的控制系统

任青莲，韦晓璐

(太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024)

一种基于AD9854的信号发生器的控制系统

任青莲，韦晓璐

(太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024)

研究了基于AD9854的信号发生器的相关控制技术。以STC12LE5A56S2单片机为例，详细阐述了单片机对AD9854芯片的控制，以及PC机和单片机之间的串口通信技术。所设计的信号发生器可以利用上位机通过串口对下位机进行控制，实现数据的发送和接收，从而方便有效地控制AD9854的工作。该控制系统具有操作简单、实用性强、控制界面可视化等优点，具有一定的实用价值。

信号发生器；AD9854；控制系统

0 引言

在飞速发展的电子时代，任意波形发生器已经成为一种必不可少的电子仪器，广泛应用于雷达、导航、通信和仪器仪表等领域[1]，其输出信号的灵活性成为用户选择的一个重要因素。因而，寻找一种方便有效的控制方法，使其操作简单易行，从而能为用户最大限度地提供方便有效的测试环境是设计者追求的共同目标。

DDS采用全数字技术，具有工作频率范围宽、频率分辨率高、频率切换时相位连续、任意波形输出能力和数字调制性能等优点，是任意波形发生器研究的一个重要方向[2]。本文从实际应用出发，在基于AD9854设计的信号发生器的基础上，对其控制理论进行深入研究，利用VB串口通信技术实现在Windows操作系统下PC机与单片机的通信，以控制DDS芯片的工作。该方法操作简单、系统可靠、控制界面可视化，从而极大地方便了用户的使用。

1 信号发生器控制系统原理

信号发生器控制系统结构框图如图1所示。它由PC上位机、STC12LE5A56S2单片机、DDS芯片AD9854、键盘、液晶显示、低通滤波器和放大电路组成[3]。其中，单片机和AD9854用于产生信号，键盘、液晶显示以及PC上位机则用来实现人机交互，滤波器与放大电路则对信号进行后期处理。

系统对于波形的输出控制有两种途径：一种是利用面板按键输入命令，液晶显示命令的执行结果，同时单片机通过接收到的命令去控制DDS芯片，最后由DDS输出相应波形；另一种是利用上位机通过串口通信对下位机进行控制，下位机的单片机再控制液晶的显示以及DDS芯片的工作。两种方法可以同时使用，通过灵活地控制AD9854，达到输出所需波形的目的。

图1 信号发生器控制系统结构框图

2 信号发生器控制系统总体设计

2.1 单片机键盘扫描、液晶显示控制

单片机监控键盘的操作流程如图2所示。在所制作的系统板上有4个按键，第1个按键是选择液晶显示页面，通过该键选择切换到所需的功能设定界面。液晶的主界面显示项目的主要信息，每次通电时液晶自动显示主页面，当第1个按键按下，就会转到下一个页面，按的次数决定了选择第几个界面显示，在界面切换的同时，输出的波形也会跟随显示界面的切换而切换。第2个按键是当前界面下各种功能的设置选择键，可以选择当前页面所需要修改的选项，当选择要修改的选项时，液晶上光标会移动到该选项上，表示当前的参数可以修改，如当进入到扫频控制区界面时，液晶上显示扫频控制参数，再对其参数进行设置。第3个和第4个按键分别是执行频率、相位、幅度的设置，所有参数可通过上位机直接输入数据，也可在当前值的基础上通过第3、第4个按键进行增、减操作。这4个按键互相配合，组成多种组合控制，能够控制产生正弦波、方波、三角波、调制波(ASK、FSK、PSK)以及扫频波等[4]，电路简单并且易于操作。

图2 单片机监控键盘的操作流程图

2.2 PC机对单片机的控制

2.2.1 开发软件的选择

图3为单片机监控串口操作流程图。STC12LE5A56S2单片机的 P3.0和 P3.1口分别是串行通信的接收管脚和发送管脚，工作方式为全双工串行通信方式。PC机有多种编程语言可以编写串行通信软件，如Visual Basic、C语言和Java等。

图3 单片机监控串口操作流程图

本设计利用Visual Basic实现PC机与单片机的通信。VB是面向对象的可视化程序设计语言，具有方便的界面设计功能，其提供的 MSComm控件可简单便捷地实现应用程序的串口通信，结合Timer控件，通过设置、监视Mscomm控件的属性和事件，即可完成对串口的初始化和数据的传输和接收。

2.2.2 PC机对单片机的控制

串口的控制界面如图4所示，分3个部分。第1部分为串口操作区，当电路连接电脑后，首先在串口操作区点击选择端口，选择在计算机上所对应的端口，图4中所对应的为Com5，再点击“打开串口”按钮，即可成功打开串口连上单片机；在单片机按键显示区，当电路板上有按键按下时，对应的灯就会点亮以指示按键的操作。第2部分为频率控制区，在该区，频率是以Hz为单位，范围在0 MHz～125 MHz内可调，在步进调节框中可根据需要设置步进大小，最后点击“修改频率”按钮即可完成输出频率的更改。第3部分为扫频控制区，在该区，通过输入起始频率、结束频率、扫频步长、时间间隔、扫频周期等相关参数，点击“修改扫频参数”按钮即可完成扫频参数设置。该上位机软件还可以根据需要进行功能扩展。

图4 串口的控制界面

为了能够保存每次所修改的数据，在VB程序中利用 Dir()函数，先判断是否存在数据记录文件，没有则使用软件的默认值进行加载数据信息，并生成相应的记录文件，下次再开启软件时自动加载最后一次所修改的数据。这样就可以防止在软件意外关闭时造成数据的丢失，从而避免了一些不必要的麻烦。

3 频率控制字计算

根据用户对波形频率的要求，即可计算出相应的频率控制字[5]：

Wfcn=(f×2N)/fclk.

(1)

其中:Wfcn为频率控制字；f为所需频率；fclk为时钟频率；N为相位累加器的位数。

本设计相位累加器的位数为48位，为了使计算程序简单，可设高16位为0，只使用低32位频率寄存器，则输出精度为0.05 Hz，完全能满足设计要求。

在本系统中，DDS芯片AD9854的主控时钟频率fclk为200 MHz，例如，当需要输出频率f=1 kHz的波形时，公式(1)求出相应的频率控制字为：

=f·15H.

(2)

则可得出当需要输出频率为1 kHz的波形时，频率控制字的低32位为00005208H，因为高16位为0000H，则可得48位的频率控制字为000000005208H。将频率控制字分批传送到AD9854内部的DDS核，即可进行频率合成[6]。

4 实验结果

4.1 系统输出波形测试及数据分析

当需要1 kHz的正弦波时，根据上面计算的结果，送入频率控制字000000005208H，进行频率合成，得出如图5所示实测波形，由图5可知，实际输出波形频率为999.998 Hz，绝对误差为0.002 Hz，相对误差为0.0002%，误差很小，在允许的范围内。

图5 f=1 kHz的正弦波

4.2 调幅信号结果及分析

图6为500 Hz～10 000 Hz扫频波形，为普通调幅信号，其载波频率为100 kHz，调制信号频率为1 kHz，调幅系数为1，所测结果完全满足设计要求。

5 结论

本文在DDS任意波形发生器基础之上，从理论和实际两个方面，对直接数字频率合成技术的控制方法进行研究。理论分析和实际测试表明该方法能有效地控制AD9854产生各种所需波形。该信号发生器系统结构简单、性能优良，配合上位机，能够极大地方便用

户的使用，具有一定的实用价值。

图6 扫频波形(500 Hz～10 000 Hz)

[1] 杨蕊.基于DDS技术的使用信号源的设计[D].武汉:华中师范大学，2012:20-31.

[2] 周研，刘祖深.基于双DDS跳变的捷变频率发生器的设计[J].电子测量与仪器学报，2010(6)：590-594.

[3] 卜祥军.基于AVR的DDS数字可调共振源的设计[J].太原科技大学学报，2010(6)：489-492.

[4] 邱仲潘,宋智军.Visual Basic 2010从入门到精通[M].北京:电子工业出版社，2011.

[5] Douding.用DDS产生各种波形程序集[EB/OL].[2010-06-05].http://www.docin.com/p-33835126.html.

[6] 森荣二.LC滤波器设计与制作[M].薛培鼎,译.北京：科学出版社,2006.

[7] 户川治朗.实用电源电路设计[M].高玉苹,译.北京:科学出版社,2006.

A Control System of Signal Generator Based on AD9854

REN Qing-lian, WEI Xiao-lu

(School of Electronic and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

This paper studies the control technique of the signal generator based on AD9854. By using STC12LE5A56S2 MCU as example, the paper details the control to AD9854 by MCU, and the serial communication theory between PC and MCU. The signal generator realizes the data transmitting and receiving by the control of the host computer to the lower machine through serial port, so as to control the AD9854. The control system has the advantages of simple operation, strong practicability, visualization control interface，etc. It has some reference and use value.

signal generator; AD9854; control system

1672- 6413(2015)06- 0153- 03

2015- 05- 21；

2015- 09- 23

任青莲(1973-)，女，山西太原人，副教授，硕士，主要研究方向为无线通信与电子技术应用。

TP273

A

山西省高等学校大学生创新创业训练项目(2014281);2014年度校级大学生创新性实验项目(xj2014068)