基于DDS的高频正弦波信号发生器设计与实现

李瑜庆，田 娟

高频正弦波信号发生器是高频领域常用的一种设备或电路，其在高频电子线路实验中通常作为载波信号源来使用.其还可用于对家用电器的元器件参数和性能进行测试，是一种必不可少测试信号源和激励源.现今，实验室使用的低频信号发生器的最高输出频率普遍小于1 MHz.以集成函数波形发生器为例，该类设备一般采用扫描信号发生器ICL8038等，仅可以产生低于300 kHz的中低正弦波、矩形波等信号，而且频率稳定度不高，无法满足高频精密信号源的要求，以及高速电路调试的需要，实际使用中存在诸多不足.因此，性能优异的高频正弦波信号发生器的研制极为必要［1-3].

本文采用基于DDS（直接数字频率合成）［4-6]技术AD9851芯片［7]对高频正弦波信号发生器展开研究.DDS 技术是一种新型的频率合成技术，频率稳定度很高，采用该技术可提高输出频率的准确度.本设计输出最大频率分辨率达100 Hz，在0.1～45 MHz 内可调的正弦波，频率稳定度达到±5×10-4；输出幅度在0.1～1 V内可调且幅度误差小于10%，输出阻抗为75 Ω，可满足多种场景实验要求，对于各类高频信号发生器的设计也具有一定的借鉴作用.

1 信号发生器硬件设计

为达到设计指标，设计由STC10F08单片机［8]写入程序到AD9851振荡电路中，产生输出频率在0.1～45 MHz 范围内，步进100 Hz 的正弦波，并经过无源滤波器滤波输出到低失真放大器AD8009实现增益控制，实际输出波形可由示波器观测，系统的总体框图如图1所示.

图1 信号发生器总体框图

1.1 电源模块

该系统中模块供电电压需要+5 V、+12 V和-12 V，而高频试验箱采用220 V 市电供电，这要求必须将外部市电经变压器降压后分别转化为+5 V、+12 V和-12 V.电源模块采用LM78L12、LM79L12 和LM78L05 稳压芯片，该系列电源芯片具有低纹波、高效率、小体积、输入范围广的特点.由于电源电路属于常用电路，这里不再介绍.

1.2 控制系统电路

控制系统采用STC10F08 单片机为主控制器，具体电路如图2 所示.通过调节EC11 编码器（K1）控制AD9851输出信号频率，并在数码管上显示.

图2 控制系统电路

1.3 波形产生电路

AD9851 是一款高集成度的DDS 器件，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.当供电电压为2.7 V并处于省电功能时，其功耗仅为4 mW.具体波形产生电路如图3 所示，通过幅度调节电位器R4连续控制输出正弦波的幅度，其经过信号调理电路滤波及放大后最终输出幅度范围为0.1～1 V.

图3 波形产生电路

1.4 信号调理电路

信号调理电路包括滤波网络和放大电路两部分，具体电路如图4 所示.AD9851 输出的正弦波信号先经过滤波网络，再送到AD8009（Op Amp）中进行信号放大.AD8009 是一种超高速电流反馈型放大器，压摆率很高，达5 500 V/μs，上升时间很短，仅为545 ps，因而非常适合用作脉冲放大器.

图4 信号调理电路

1.5 显示模块电路

显示电路由数码管、移位寄存器74LS164和共阴三极管驱动，具体电路如图5 所示.74LS164管脚B 接高电平，则允许数据从A 管脚输入，P0.0～P0.5高电平时负责片选数码管.

图5 显示模块电路

2 系统软件设计

系统软件采用C 语言编写，通过STC10F08单片机控制AD9851，使AD9851产生一路正弦波信号.通过EC11 旋转编码器和幅度调节电位器调整输出信号的频率和幅度，并通过信号调理电路进行滤波和放大，达到输出要求.频率调节后通过STC10F08单片机控制在数码管上进行频率显示.程序设计流程图如图6所示.

图6 程序设计流程

3 实验结果验证

为了验证本设计方案可行性与可靠性，按照上述电路原理制作了相应的硬件电路，如图7所示，并进行了实验测试，实验主要以频率和幅度两个参数为标准进行了测量对比.

图7 高频正弦波发生器硬件电路

3.1 频率测试

实验中，在0.1～45 MHz 的频率范围内测量该方案输出的正弦波的频率，部分实测数据如表1 所示.由表1 可见，在0.1～45 MHz 频率下，设置频率值和测量值之间相对误差小于0.5‰，说明该方案的频率稳定度很高.

表1 频率的测量

3.2 电压测试

实验在0.1～45 MHz 的频率范围内，对幅值范围在0.1～1 V 的信号进行测量，部分实验测量数据如表2所示.由表2可见，在0.1～45 MHz频率范围内，输出正弦波的幅值与设置值之间的相对误差小于10%，说明了方案具有一定的精度.

4 结论

表2 电压测量

为设计出信号频率为0.1～45 MHz，输出幅度在0.1～1 V可调且幅度误差不大于10%的高频正弦波信号发生器，本设计先由AD9851 模块产生正弦波，然后经过由滤波网络和AD8009 组成的信号调理电路输出波形稳定的正弦波.实验测试证明设计的正弦波信号发生器具有较高的频率稳定度，也具有一定的幅度稳定度，完全能满足高频电子线路实验教学需要，并对其他高频信号发生器的设计有一定的参考价值.本设计输出幅度可调范围偏小，下一步研究重点应是扩大幅度调节范围和使其具有更高精度.