DDS信號發(fā)生器

王洪

摘 要：本系統(tǒng)基于DDS信號源的工作原理，以單片機(jī)8051為控制核心，采用CPLD“EPC570”并聯(lián)合硬件描述語言作為系統(tǒng)的硬件組合，利用雙口RAM“IDT7132”來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用DAC0800來將RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬信號，用DAC0832來提供基準(zhǔn)電壓，從而實(shí)現(xiàn)了在1Hz到1MHz的頻率范圍內(nèi)正弦信號的無失真輸出，輸出采用橢圓濾波器進(jìn)行濾波以提高輸出信號的精確性，輸出的峰—峰值在0到5V內(nèi)可調(diào)。

關(guān)鍵詞：DDS信號發(fā)生器；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；正弦信號

1 方案論證與選擇

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以輸出且存儲(chǔ)較寬頻帶且頻率穩(wěn)定度做夠高的正弦信號（也包括方波和三角波），并且可以用鍵盤來實(shí)現(xiàn)三者之間轉(zhuǎn)換。

1.1 正弦信號的產(chǎn)生

直接數(shù)字頻率合成（DDS）方案。其主要組成為：相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A 轉(zhuǎn)換器和低通。直接數(shù)字頻率合成DDS是正弦信號產(chǎn)生的方式之一，在具體實(shí)施該方法的過程中，伴隨著時(shí)鐘脈沖的輸入相應(yīng)相位累加器將會(huì)輸出一定增量值，與此同時(shí)在波形儲(chǔ)存器中存有一份函數(shù)查詢表，而這份函數(shù)查詢表將針對各種相位碼所呈現(xiàn)出的不同幅度進(jìn)行編碼并輸出。同時(shí)相位進(jìn)步量取決于頻率控制字k，通過相位累加器所輸出的數(shù)值對波形儲(chǔ)存器展開尋址，促使波形儲(chǔ)存器對相應(yīng)幅度進(jìn)行編碼。最后，波形儲(chǔ)存器所輸出的編碼需要通過濾波器濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換從而順利獲取所需頻率信號。

DDS所形成的頻率信號具有高精度、高純度等特點(diǎn)。

1.2 存儲(chǔ)器模塊

DDS所采用的存儲(chǔ)器是RAM，隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具有實(shí)現(xiàn)簡單、方便的優(yōu)勢。若是將RAM直接掛在系統(tǒng)總線上，將會(huì)出現(xiàn)總線沖突的問題，所以，DDS通常采用雙口RAM，可以避免系統(tǒng)總線的隔離。它擁有左右兩種完全一致的I/O口，包含了兩套地址總線、兩套控制總線、兩套數(shù)據(jù)總線，同時(shí)還具備一套競爭仲裁電路，能夠憑借左右兩邊任一組I/O完成全異步的存儲(chǔ)器讀寫操作。這樣能夠有效降低CPLD與單片機(jī)之間的通訊，降低了單片機(jī)的資源耗損，保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

輸出模塊若要有效實(shí)現(xiàn)幅度控制與數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，則需要相應(yīng)的后級處理模塊，其中濾除主要通過采集樣點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的高次諧波分量及DAC所形成的高頻分量，維持所輸出波形的穩(wěn)定性有效保證其平滑且不失真。

（1）針對系統(tǒng)的后級濾波部分進(jìn)行分析。系統(tǒng)的后級濾波部分主要采用的是二階巴特沃茲濾波器。即使相應(yīng)的幅度函數(shù)，呈現(xiàn)出單調(diào)下降發(fā)展趨勢，但其仍然能夠?qū)崿F(xiàn)幅度濾波的平坦度最大顯示。信號發(fā)生器形成并輸出的波形與預(yù)設(shè)計(jì)的輸出波形頻率存在巨大差距，其原因主要?dú)w結(jié)為D/A轉(zhuǎn)換過程中所形成的高頻分量噪聲所致。雖然是單調(diào)下降的，相對而言，巴特沃茲濾波器的衰減陡度遠(yuǎn)不及其能夠?qū)崿F(xiàn)最大平坦度濾波重要而且更為符合實(shí)際情況。針對巴特沃茲濾波器來講，橢圓濾波器具有幅值影響在阻帶及通帶內(nèi)都屬于等波紋，并且針對已設(shè)定的波紋及階數(shù)要求，橢圓濾波器能夠有效獲取比其他任何一種濾波器更窄的過渡帶寬等突出優(yōu)勢。

（2）針對系統(tǒng)幅度控制部分進(jìn)行分析。幅度控制部分及數(shù)模轉(zhuǎn)換部分均選用雙D/A技術(shù)，并通過單片機(jī)進(jìn)行控制，首級D/A所輸出的波形主要作為二級D/A波形的基準(zhǔn)電壓源，如此有效對信號發(fā)生器所輸出的相應(yīng)電壓幅度進(jìn)行控制。該方法與其他方法相對比所呈現(xiàn)的優(yōu)勢在于，該方法電路相對更簡單、明了，且僅憑計(jì)算機(jī)軟件即能實(shí)現(xiàn)對其高強(qiáng)度控制的目的。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

各模塊具體實(shí)現(xiàn)與分析

（1）單片機(jī)控制模塊。作為系統(tǒng)的控制中心，單片機(jī)具有以下的功能：首先是單片機(jī)可以對LCD顯示輸入信息進(jìn)行控制，從而有效完成功能選擇及按鍵識(shí)別的控制；其次，單片機(jī)能夠與CPLD進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)直接頻率的合成。不僅如此，單片機(jī)還能夠?yàn)镃PLD提供控制端口，選擇及控制CPLD內(nèi)部，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)讀取雙口RAM內(nèi)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的目的；另一方面，單片機(jī)還可以與兩片D/A連接，有效控制D/A。

遵循DDFS理論，考慮要達(dá)到的要求，選取晶振頻率為4.000MHz，理論上所輸出的頻率步進(jìn)是0.25Hz。

單片機(jī)在等待按鍵的過程中即默認(rèn)狀態(tài)時(shí)不輸出，在不同的按鍵指令下，系統(tǒng)輸出不同的波形。

（2）針對CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)的分析。CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)的原理在于，在其內(nèi)部構(gòu)建適于DDFS的相位累加器。同時(shí)，在雙口RAM與單片機(jī)通信過程中，P0口不僅能夠提供低八位地址，同時(shí)還能滿足所需鎖存器同時(shí)在CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的要求，有效減少了硬件安裝。

單片機(jī)的P2.4， P2.5， P2.6， P2.7為CPLD提供控制信號，同時(shí)還為頻率選擇字提供地址。另外，因?yàn)镻2.3、P2.2、P2.4分別是RAM、LCD、DAC0832的片選信號，同時(shí)還設(shè)定由P0口根據(jù)P2.1、P2.2口的不同組合，根據(jù)不同時(shí)段提供相應(yīng)數(shù)據(jù)，并按一定規(guī)律有效組合成累加器所需要的二十四位輸入數(shù)據(jù)。為了保證時(shí)序的穩(wěn)定性、規(guī)律性、準(zhǔn)確性，還需要在單片機(jī)WR端中為相應(yīng)低電頻率輸入數(shù)據(jù)。

（3）鍵盤模塊的設(shè)置。鍵盤上各鍵的功能：鍵盤上的數(shù)字鍵，顧名思義就是輸入數(shù)值。按下‘Reset鍵是表示復(fù)位，單片機(jī)狀態(tài)回到開始狀態(tài)；按下‘enter鍵表示確定；按下Am+鍵表示幅度加；按下Am-鍵表示幅度減；按一下波形鍵輸出為正弦波，再按一下輸出為方波，再按一下輸出為三角波，再按一下輸出為正弦波，如此循環(huán)。

按下‘FRE鍵表示準(zhǔn)備改變頻率，即按下‘FRE鍵后，在按數(shù)字鍵所要變成的頻率值，即可將頻率改變成相應(yīng)的頻率值。

（4）后級濾波模塊的設(shè)計(jì)。在后級濾波模塊找那個(gè)，鑒于橢圓濾波器的種種優(yōu)點(diǎn)，我們采用5階橢圓濾波器。

3 相關(guān)理論的分析和計(jì)算

所輸出波形的頻率以及相應(yīng)分辨率。預(yù)設(shè)參考晶振（頻率源）的頻率為，選用計(jì)數(shù)容量作為相位累加器（既相位累加器位數(shù)），頻率控制字為位，則：

由DDS系統(tǒng)所輸出的信號頻率為：

頻率分辨率為：

在此過程中，主要選擇4M晶振，二十四位頻率控制字，二十四位相位累加器。

從理論層面來看，通過抽樣定理可以明確，在保證不失真前提下最大限度步進(jìn)可以取，最小時(shí)為1，那么：

相應(yīng)所輸出的頻率為：

頻率分辨率為：

參考文獻(xiàn)：

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