简易DDS信号发生器设计与研究

2016-07-01苏州工业园区工业技术学校谢留婉

电子世界 2016年10期

苏州工业园区工业技术学校谢留婉

简易DDS信号发生器设计与研究

苏州工业园区工业技术学校谢留婉

【摘要】本文介绍了一种基于STC12C5A60S2单片机为核心，结合8位并口输入/输出的28C64存储器及D/A转换的DDS合成技术的设计方案。主要通过存储器存储波形数据，单片机控制存储器，按照一定的方式，对指定存储器区域的波形数按照顺序循环输出给D/A转换电路，再通过集成运算放大器进行信号放大，在输出级使用增益可控精密信号放大器，实现指定的波形输出。本设计的DDS信号发生器，除了可以选择不同类型的波形输出，而且还可做到精确控制其输出的频率和幅度。

【关键词】DDS；信号发生器；设计；28C64；STC12C5A60S2

1　引言

直接数字频率合成（DDS）技术是一种新型的频率合成技术，具有较高的频率分辨率，可以实现快速的频率切换，并且在改变时能保持相位的连续，在波形的控制方面实现连续的可调［1］。因此，在现代电子系统及设备的频率源设计中，其应用越来越广泛。

信号发生器同时也是电子工程师在电子产品研发、电路功能调试时的必备工具。而采用直接数字频率合成型（DDS）技术的数字型信号发生器设计方案，与纯硬件电路设计的信号发生器相比，具有高精度、高可靠性、操作方便、价格便宜、智能化等特点，是智能化仪器的一个发展方向，具有一定的很高的实用价值。

2　系统设计方案

本系统设计思路是采用基于STC12C5A60S2型单片机作为控制核心，通过单片机分析计算产生需要的任意波形数据，存储到28C64存储器中，然后控制存储器按照一定的方式输出波形数据给D/A转换电路，最后通过集成运算放大器进行信号放大，实现指定的波形输出。为了提高系统的实用性和一定的性价比，本系统设计技术指标定为：可任意选择输出三种常规类型（正弦波、方波、三角波），输出频率可调0～3000Hz，幅度可调0～5.00V，精度频率误差±0.1%，幅度误差1%，矩形波占空比可调，为了能实现任意波形输出，提高信号发生器的功能拓展，预留串口485接口可输入任意波形数据，实现任意波形输出。以下将根据技术指标，介绍具体器件选型、硬件电路设计、软件设计等方案。

2.1硬件电路设计

2.1.1STC12C5A60S2芯片简介［2］

STC12C5A60S2是STC发布的一款时钟周期为1T的单片机，是加强型的51单片机，能够兼容原来的传统51内核，时钟速度是传统51型单片机的12倍。内部集成了上电复位芯片，两路PWM输出，10位 A/D转换输出，可以对直接驱动电机实现控制，拥有超强的抗干扰能力。

2.1.2存储器AT28C64简介［3］

AT28C64是一种采用CMOS工艺制成的8K×8位28引脚的可用电擦除可编程存储器E2PROM。其读写像SRAM操作一样，不需要外加任何元器件。ATMEL爱特梅尔公司的AT28C64的页寄存器为64B。目前一般一个字节的接除和写访问时间为200B或1M，而最大页写入周期（包括擦除和写入）时间不超过10ms。

2.1.3D/A转换器DAC0832简介［4］

DAC0832是CMOS工艺制造的8位D/A转换器，属于8位电流输出型D/A转换器，转换时间为1us，片内带输入数字锁存器。DAC0832与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据写入DAC寄存器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。

2.1.4硬件电路组成

根据设计功能要求及技术指标要求，系统设计采用STC系列单片机STC12C5A60S2为核心，采用数字合成技术利用单片机直接产生波形数据，对于规则波形（正弦波、三角波、方波等）可预先使用存储器存储波形数据，通过单片机控制读取存储器地址区域，控制输出不同类型的波形数据，同时还可通过485串口输入特殊波形数据，实现特殊波形输出，单片机控制将数字量数据通过D/A转换电路，转换为对应波形模拟量信号，考虑到输出信号有足够的幅度和精度，在输出级配置高精度信号放大电路。设计系统硬件电路由开关电源电路、单片机控制电路、存储器模块、D/A转换电路、精密信号放大电路、TTL信号驱动输出电路、LCD液晶模块、矩阵键盘、485通讯接口等组成。系统结构图如图1所示。

图1　系统硬件结构图

硬件电路主要功能模块介绍：

单片机控制模块：采用STC12C5A60S2型单片机，主要控制各功能模块电路协同工作。如：驱动LCD显示波形输出状态、参数设置窗口等信息；读取矩阵键盘键码进行波形参数设置；判断波形输出类型选择读取存储器中的波形数据；控制D/A转换输出波形的模拟量信号；控制精密信号放大器放大增益等。

LCD显示电路：采用LCM12864点阵液晶显示器，便于实现准确走时。为系统检测出现危险温度时提高可靠时间依据。

存储器：采用AT28C64存储芯片，它是一种E2PROM存储器，可以对波形数据进行保存，且能做到掉电保护，在波形信号输出阶段，通过单片机控制其指定的存储区域，将对应的波形数据按照顺序输出给D/A转换电路。

D/A转换模块：采用DAC0832芯片的八位D/A转换，其具有并行输入、转换速度快、带输入缓存等特点，主要负责将存储器中输出的数字量波形数据转换成对应的模拟量信号，以产生连续的信号波形。

485串口通讯接口：实现特殊波形输出，主要是对需要特殊形式的波形，通过串口直接将波形数据输入到系统中。为系统提供功能拓展，提供信号产生的多样性，以使系统能应用到更多的场合。

精密信号放大器：主要负责将D/A转换出的波形信号进行线性放大，并能准确控制放大增益，使输出信号的幅度与设置的信号输出幅度保持一致。

2.2软件设计

系统软件设计，主要目的是使单片机芯片能实现控制硬件电路各部件协同工作，以实现系统设计的功能要求，如：波形参数设置、波形显示、波形输出等功能。软件设计思路是，程序一开始先对各相关功能模块进行初始化；控制LCD显示波形参数设置界面；接着程序开始键盘检测，判读是否在进行波形参数设置设定，根据当前设定参数确定输出波形类型、信号输出幅度；系统当前开始判断是否被设置为开启波形输出允许状态，若未开启输出，则系统继续循环重新检测按键状态，反之，则根据设定的波形输出类型确定访问存储器地址区域，同时采用定时器中断方法控制存储器输出的波形数据按照设置的频率循环输出；开启D/A转换，将数据通过D/A转换为平滑的模拟量波形信号输出。

具体软件流程图如图2所示：

图2　软件流程图

预留串口通讯接口，实现接收上位机发送的特殊波形数据，将需要输出特定的不规则波形，可将波形的数字量数据在上位机软件上进行编辑，然后发送到系统中，系统在存储器中划分出专用的存储区域进行存储，并按照参数设置要求，循环输出对应波形等。

为了提高输出信号波形的完整性，规定了一个完整周期的波形数据为200个点，在控制信号输出频率是采用定时器定时中断控制存储器输出波形数据，则输出信号的频率为f，则定时器的定时中断时间为t=1/200f。对于矩形波信号输出，可直接通过单片机的定时中断方式输出高低电平，响应速度更快、且占空比的控制可以直接在定时中断过程中进行处理。