基于DDS 數(shù)字直接合成技術信號發(fā)生器設計

劉平英 李紅婷 梁旭東 徐 軍

南京信息工程大學信息與控制學院

本文基于DDS 數(shù)字直接合成技術，研制一種通過鍵盤操作和LED 顯示的信號發(fā)生器，其輸出波形頻率、幅值可任意分段編程和調節(jié)，系統(tǒng)測試表明該信號發(fā)生器誤差范圍小，精度高，人機對話性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠，易于操作，具有廣泛的工程應用前景。

信號發(fā)生器是一種常用的信號源，它可以產生多種波形信號，因而在通信、測控、導航、雷達、醫(yī)療等領域有著廣泛的應用。傳統(tǒng)信號發(fā)生器有用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器，晶體管、運放等通用器件制成的信號發(fā)生器和利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產生正弦振蕩獲得所需頻率，導致其發(fā)生頻率不高，工作不穩(wěn)定，不易調試。相比傳統(tǒng)的設計方法，DDS 直接數(shù)字合成技術從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理是頻率合成技術的一次重大改革，它在相對帶寬、頻率轉化時間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標已遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術所能達到的水平。

但由于DDS 數(shù)字化實現(xiàn)的固有特點，決定了其輸出頻譜雜散較大，對雜散的分析和抑制一直是國內外研究的熱點。項目通過對DDS 技術相位舍位、幅度量化和DAC的非理想特性研究分析，解決輸出頻譜雜散、精度等問題，研制具有廣泛工程應用前景的信號發(fā)生器，對信號發(fā)生器的設計方法和原理具有指導意義。

主要技術指標

本設計是基于可編程信號發(fā)生器AD9833 和單片機C8051F020 研制可產生各種頻率，并通過鍵盤操作改變輸出波形和頻率，且能LED 顯示的高精度信號發(fā)生器。主要技術指標如下：

1）輸出頻率f：10～9999 Hz，可調整。（值誤差1%）

2）輸出電壓A：0～9.9V（有效值），可調整。（0.1V/檔）（值誤差3%）

3）輸出頻率（輸出電壓）可按時間分段編程。

正弦波有效值A（或頻率f）可以按時間段設定。如圖1 所示，前段結束時的參數(shù)就是后一段的起始參數(shù)（連續(xù)線），本段起始參數(shù)與上段結束時的參數(shù)不一致（跳變線），結束段做完從起始段重復。本機共分n 段，不用的段時間長度為零，每段時長為n 秒。運行的開始時間以及總運行時間可任意設定。

4）參數(shù)設置方法

4.1 通訊總線方式：485 協(xié)議：modbus RTU 地址：0 主機 地址：1-31 從機 默認地址：1

4.2 可拆卸鍵盤、LED 顯示器手動設置

5）輸出

5.1 音頻信號輸出阻抗：小于等于600 歐，

5.2 顯示分辨率 頻率顯示：9999Hz 幅值顯示：9.9V（可拆卸LED 顯示器）。

6）校準 接標準負載，通過可拆卸鍵盤、LED 顯示器手動校準。

硬件設計

信號發(fā)生器由五個電路模塊組成：微處理器（C8051F020）、波形發(fā)生器（AD9833）、電源模塊、輸出接口模塊、通信接口模塊。其系統(tǒng)結構如圖2 所示。

微處理器模塊

該系統(tǒng)由混合信號系統(tǒng)級微控制器C8051F020 作為主控芯片，C8051F020 基本外圍電路有時鐘電路、復位電路、弱上拉電路、預留接口和TAG 連接電路。該芯片能接收通信接口模塊的信號，對波形發(fā)生器的幅值、頻率進行控制，通過JTAG 與計算機連接進行編程。

電源模塊

電源模塊有兩個開關型集成穩(wěn)壓芯片LM2596、兩個發(fā)光二極管和一個的-5V 穩(wěn)壓電路組成。LM2596 產生的3.3V、5V、-5V 的直流穩(wěn)壓電源分別給微處理器、通信接口模塊、波形發(fā)生器模塊、輸出接口模塊供電。

波形發(fā)生器模塊

波形發(fā)生器模塊由AD9833 配置電路和1M 的有源晶振電路組成。AD9833 是ADI 公司生產的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，外部電路僅需少量元件就能產生高達12.5MHz 的正弦波。AD9833 的配置電路如圖3 所示，C8051F020 產生的控制信號和波形通過SPI 接口與AD9833 的8、7、6 腳相連，經過濾波后輸出。有源晶振的頻率選擇不得低于輸出頻率，采用串行輸出模式，接收處理器的數(shù)據(jù)和輸入控制信號。波形發(fā)生器有獨立的時鐘電路，AD9833 的時鐘由其決定。

圖1 時間段設定示意圖

圖2 系統(tǒng)結構圖

通信模塊

通信模塊由SP1486E 及其外圍電路組成，SP1486E 是半雙工差分線收發(fā)器，適合使用在多點總線傳輸線上的高速雙向通信中。每個器件都包含1 個差分驅動器和1 個差分接收器。作用是將PLC 信號發(fā)給C8051F020，也將C8051 的信號發(fā)給PLC，采用485 通訊的自由協(xié)議方式。

輸出模塊

由雙路選擇、輸出波形調整電路、數(shù)字控制電位計9013、反向放大電路及反饋電路組成。雙向選擇電路由兩個作用：一、電平轉移，將0 和3.3V（或5V）的電平轉換為-5V 和3.8V 的電平；二、可以選擇輸出波形，隨機或正弦波。輸出波形調整電路可將信號發(fā)生器的輸出信號調整到以零為基準，幅值調整到合適的值，便于數(shù)字電位計調節(jié)，同時輸出波形倒向。數(shù)字控制電位器可以控制幅值，實際調節(jié)范圍由VH 和VL 決定。反相放大電路使輸入波形倒向同時有放大的作用，可以提高帶負載能力。反饋電路用于將輸出信號反饋到處理器ADC0.0 端，通過測量來調整輸出波形幅值，由兩級濾波一級分壓電路串聯(lián)組成。

軟件設計

軟件設計主要是對單片機的程序編寫，單片機的主要工作是鍵盤輸入、液晶顯示、調節(jié)正弦波幅度、接收PLC 指令和控制DDS 芯片的工作狀態(tài)。主要的程序段包括幅值調節(jié)模塊、頻率調節(jié)模塊、C8051F020 單片機的初始化，串口初始化、ADC0 口初始化、與PLC 通訊等，單片機的初始化程序包括關看門狗、時鐘檢測、端口初始化、SFR 初始化、端口的宏定義等。主程序流程如圖4 所示，設置為無限循環(huán)模式，串口通訊應該采取中斷方式，包含輸出模式選擇程序。

圖3 AD9833 配置電路

圖4 主程序流程圖

圖5 PLC 程序

系統(tǒng)調試

為了檢驗系統(tǒng)的性能，完成所有設計之后，到該系統(tǒng)進行了實測。給PLC、15V 電源和示波器上電（PLC和單片機中都已經預存程序），單片機就開始工作。PLC 中預存的通訊程序如圖5 所示，單片機發(fā)送的信號為300Hz——400Hz 掃 頻，Δt=1s，Δf=（400-300）/20=5Hz，各頻段信號的最大值穩(wěn)定在10V（100）。

修改圖中%MW204 的值，可以改變掃頻的起始頻率；修改圖中%MW206 的值，可以改變掃頻的終止頻率；修改圖中%MW208 的值，可以修改掃頻的Δf；修改圖中%MW210 的值，可以修改掃頻時各頻段的幅值。若需要單片機發(fā)送出單頻信號，可以修改通訊協(xié)議中的%MW204 和%MW206 為相同的值或者可以設置單片機為手動方式。測試結果如表1 所示，值誤差小于1%，滿足設計要求。

表1 測試結果

總結

項目采用DDS 技術，研制的信號發(fā)生器誤差范圍小，精度高，輸出波形頻率、幅值可任意分段編程和調節(jié)，通過鍵盤和LED 顯示器操作，人機對話性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠，易于操作，具有廣泛的工程應用前景。目前該信號發(fā)生器已成功應用于南京常榮聲學股份有限公司的自動吹灰系統(tǒng)中。