摘要：基于DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)原理，采用凌陽SPCE061A單片機作為人機界面控制單元和參數(shù)形成處理單元，首先以一片AD9851芯片為核心產(chǎn)生頻率在10 Hz～30 MHz可調(diào)、幅度穩(wěn)定的正弦波、方波和三角波信號，然后通過一路可控模擬開關(guān)(使用AD7502芯片)選擇波形輸出。再通過外接鍵盤按鍵控制輸出頻率及頻率步進，并通過LCD顯示輸出波類型、頻率及電壓幅度。該系統(tǒng)除具有基本函數(shù)信號發(fā)生器的主要功能外，還可控制輸出頻率在10 Hz～1 MHz之間變化的波型信號，同時還能夠保障輸出電平滿足Vpp=(0～5 V)±0.1 V。在輸出為50 Ω負載的條件下，可實現(xiàn)頻率在10 Hz～1 kHz范圍內(nèi)步進10 Hz，在10 kHz～1 MHz范圍內(nèi)步進1 kHz。在實驗教學(xué)、生產(chǎn)等應(yīng)用中，有一定的使用和推廣價值。

關(guān)鍵詞：SPCE061A;DDS技術(shù);AD9851;AD7502

引言

隨著科技的發(fā)展，普通性能的單一波形發(fā)生器已經(jīng)越柬越不能滿足實際的需求。要實現(xiàn)性能復(fù)雜的及波形多樣性的發(fā)生器，DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)使用在信號發(fā)生器設(shè)計中，相較與傳統(tǒng)頻率合成器，具有低成本、低功耗、分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點。其中頻率分辨率高，體現(xiàn)在輸出頻點多，可達2個頻點(N為相位累加器位數(shù));頻率切換速度可達μs量級;可輸出寬帶正交信號，且輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由SPCE061A微處理器模塊、LCD液晶顯示模塊、1×8 LED鍵盤模組、DDS數(shù)字頻率合成模塊、波形轉(zhuǎn)換模塊、幅度控制模塊及電源模塊等電路模塊組成。

系統(tǒng)采用凌陽SPCE061A開發(fā)板作為核心處理器件。主單片機主要控制DDS芯片AD9851工作，產(chǎn)生預(yù)置頻率和相位的正弦信號，輸出信號經(jīng)低通濾波得到純凈的正弦波，再經(jīng)電流放大級高頻放大抬高輸出電壓幅度。本系統(tǒng)采用一路模擬開關(guān)AD7802控制正弦波等的輸出，并通過鍵盤模塊按鍵觸發(fā)控制頻率步進。主處理器同時還控制LCD同步顯示輸出波形頻率及幅度大小。從處理器用于控制峰值檢測、自動增益控制等。具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1.1 SPCE061A單片機控制單元

單片機控制單元是整個系統(tǒng)的核心，通過SPCE061A控制信號產(chǎn)生單元、按鍵電路、顯示電路、波形轉(zhuǎn)換電路及幅度控制電路。

1.1.2 直接數(shù)字頻率合成模塊

AD9851是ADI公司采用先進的DDS技術(shù)推出的高集成度DDS頻率合成器。本文主要采用SPCE061A控制AD9851頻率控制字實現(xiàn)頻率合成，并經(jīng)低通濾波器濾除噪聲和雜散信號，最終得到比較純正的正弦波信號。同時，調(diào)制后的正弦波信號通過主SPCE061A A/D采樣后，并行輸入改變DDS芯片頻率控制字，便可實現(xiàn)調(diào)頻，基本不需要外圍路，且最大頻偏可由軟件系統(tǒng)任意更變。通過設(shè)置放大部分反饋電阻控制輸出電壓幅度，并使輸出幅度在0～5 V范圍內(nèi)可調(diào)。DDS原理圖如圖2所示。

正弦信號發(fā)生電路如圖3所示。

1.1.3 正弦波，方波，三角波分時顯示模塊

該模塊選用模擬開關(guān)AD7502分時顯示正弦波、方波和三角波，AD7502單芯片CMOS雙路4通道模擬多路復(fù)用器，為可程控模擬開關(guān)，它根據(jù)2個二進制地址輸入和一個使能輸入的狀態(tài)，將2路輸出總線切換至8路輸入中的2路，功能框圖如圖4所示。本系統(tǒng)選擇1路信號輸出，正弦波、方波、三角波分別由S1、S2、S3輸入，OUT1控制其輸出，單片機通過控制A0、A1和EN控制3路信號輸出。EN=1時，A0A1=00輸出為方波，AOAI=01輸出為三角波，A0A1=10輸出為正弦波。波形發(fā)生模塊電路如圖5所示。

1.1.4 信號放大模塊

由于DDS信號在加負載的情況下，信號的幅度穩(wěn)定性比較差，所以首先提高DDS信號的負載能力，可以通過電流放大來實現(xiàn)，然后經(jīng)過后級電壓放大完成。如圖6所示，用電流放大器OPA2652，再通過高頻放大器THL4001作為后級電壓放大。首先將DDS的輸出電流用電流放大器OPA 2652放大，提高DDS的負載能力，受高頻的影響也就相應(yīng)地減小，輸出電壓相對穩(wěn)定，然后通過THL4001高頻運放放大達到設(shè)計要求。

具體電路原理圖如圖7所示，OPA2652是高增益帶寬積電流放大器，其增益帶寬積為700 MHz，最大輸出電流為100 mA，足夠放大10 MHz的信號，能夠很大限度地提高電路的帶負載能力。DDS信號首先經(jīng)過R5和R6分流，然后進入OPA2652放大器同相放大，增益由電位器RF控制。由于是電流放大，所以O(shè)PA2652的典型電路上的電阻值都比較小。在實際電路制作時，理論值49.9 Ω電阻用51 Ω的代替，402 Ω的電阻用兩個200 Ω的電阻串聯(lián)代替，175 Ω的電阻用150 Ω和27Ω的電阻串聯(lián)代替。為了降低電源熱噪聲干擾，電源經(jīng)過0.1μF和6.8μF的電容接地進行濾波，正負電源之間接0.1μF的去藕電容。后級放大采用單通道、低噪聲、增益變化范圍連續(xù)可調(diào)的可控增益放大器THS4011，增益帶寬積帶寬為270 MHz，其增益帶寬可以達到270 MHZ(±4.5 V～1 5 V供電)，并且在60 MHZ的帶寬內(nèi)頻率特性曲線很平坦(0.1dB，G=1)。THS4011的連接方法很多，可以正項輸入，也可以負項輸入，本系統(tǒng)采用正項輸入法，負項通過RC回路接地，降低電路本身的噪聲，從而實現(xiàn)信號放大功能。

1.1.5 幅度控制模塊

該模塊采用SPCE061A單片機控制正弦波幅度。SPCE061A自帶的ADC、DAC無需外部擴展，由AD9851輸出的正弦波信號通過信號抬高電路進入微處理器進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入DAC芯片AD7805，AD7805再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為正弦波輸出。人機界面，單片機內(nèi)部D/A將一定數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬電流輸出，輸出的電流信號再通過外部電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出，通過控制AD7805的參考電壓Vref控制正弦波輸出幅度。幅度控制電路如圖8所示。

1.1.6 鍵盤與顯示模塊

鍵盤是人工干預(yù)單片機進行控制的重要手段，可以實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令、切換功能等。此模塊SPCE061A主要用于信號采集，并選用凌陽1×8 LED鍵盤模組，按鍵控制頻率步進及頻率選擇。在顯示模塊上采用128×64 LCD的液晶屏作為波形類別、頻率大小和電壓幅度的顯示終端，鍵盤與LCD在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中構(gòu)成良好的人機交互界面。

1.1.7 電源電路模塊

因為AD9851的工作電壓為3.3 V，AD7502的工作電壓為15 V，THL4011的工作電壓為12 V，所以系統(tǒng)需要多個電源。采用LM317可調(diào)三端穩(wěn)壓器輸出3.3 V和15 V電壓供給DDS芯片及AD7502，用LM7905穩(wěn)壓芯片提供+5 V穩(wěn)定電壓，用LM7812芯片為THL4011提供12 V的穩(wěn)定工作電壓。

1.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要包括了具有友好界面的操作菜單、各種信號的設(shè)置和控制等。系統(tǒng)主要使用C語言編程，SPCE061A主程序用于控制AD9851頻率合成和人機對話控制。40位數(shù)據(jù)分五次發(fā)送，系統(tǒng)以按鍵形式控制信息輸入，單片機在獲取按鍵信息后，按照優(yōu)先級別設(shè)計處理不同的狀態(tài)，按照如圖9所示的程序流程圖，對系統(tǒng)進行控制。從單片機程序主要負責(zé)波形信號的A/D轉(zhuǎn)換，然后通過7528由主程序控制輸出信號電壓峰峰值。主次分明的設(shè)計，使層次化程序的通用性與適應(yīng)性進一步增強。在人機界面上，力求界面的防彈性，做到輸入錯誤的保護，使整個系統(tǒng)的操作十分人性化。

2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果與分析

當(dāng)接1 kΩ負載時，輸出三類波形在不同頻率下的電壓幅值變化測試結(jié)果如表1～3所列。

由以上測試數(shù)據(jù)看見當(dāng)帶1 kΩ負載時，輸出電平幅值除方波外滿足幅度Vpp=(0～5 V)±0.1 V，而電壓均出現(xiàn)一定誤差。

在輸出為50 Ω負載的條件下，對輸出信號頻率做步進測試，經(jīng)測試輸出電壓幅度范圍：0.01～6.34 V。完全滿足輸出電壓峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V要求。10 Hz～1 kHz范圍內(nèi)頻率步進10 Hz，測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表4所列。

在10 kHz～1 MHz范圍內(nèi)步進1 kHz，測試數(shù)據(jù)如表5所列。

由以上測試結(jié)果可知，系統(tǒng)在帶負載能力上效果良好。在輸出為50 Ω負載條件下效果明顯。且在10 kHz～1 MHz頻率范圍內(nèi)系統(tǒng)驅(qū)動能力強，且能滿足輸出電壓峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V。

由示波器輸出波形可以看出，波形干凈、清晰、無任何干擾。由波形看出，本設(shè)計符合性能指標要求，且輸出波形平滑，無明顯失真。在實際應(yīng)用中，有一定的使用和推廣價值。