基于DDS的高頻正弦波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李瑜慶，田 娟

高頻正弦波信號(hào)發(fā)生器是高頻領(lǐng)域常用的一種設(shè)備或電路，其在高頻電子線路實(shí)驗(yàn)中通常作為載波信號(hào)源來使用.其還可用于對(duì)家用電器的元器件參數(shù)和性能進(jìn)行測試，是一種必不可少測試信號(hào)源和激勵(lì)源.現(xiàn)今，實(shí)驗(yàn)室使用的低頻信號(hào)發(fā)生器的最高輸出頻率普遍小于1 MHz.以集成函數(shù)波形發(fā)生器為例，該類設(shè)備一般采用掃描信號(hào)發(fā)生器ICL8038等，僅可以產(chǎn)生低于300 kHz的中低正弦波、矩形波等信號(hào)，而且頻率穩(wěn)定度不高，無法滿足高頻精密信號(hào)源的要求，以及高速電路調(diào)試的需要，實(shí)際使用中存在諸多不足.因此，性能優(yōu)異的高頻正弦波信號(hào)發(fā)生器的研制極為必要［1-3].

本文采用基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）［4-6]技術(shù)AD9851芯片［7]對(duì)高頻正弦波信號(hào)發(fā)生器展開研究.DDS 技術(shù)是一種新型的頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定度很高，采用該技術(shù)可提高輸出頻率的準(zhǔn)確度.本設(shè)計(jì)輸出最大頻率分辨率達(dá)100 Hz，在0.1～45 MHz 內(nèi)可調(diào)的正弦波，頻率穩(wěn)定度達(dá)到±5×10-4；輸出幅度在0.1～1 V內(nèi)可調(diào)且幅度誤差小于10%，輸出阻抗為75 Ω，可滿足多種場景實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)于各類高頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒作用.

1 信號(hào)發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)

為達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)由STC10F08單片機(jī)［8]寫入程序到AD9851振蕩電路中，產(chǎn)生輸出頻率在0.1～45 MHz 范圍內(nèi)，步進(jìn)100 Hz 的正弦波，并經(jīng)過無源濾波器濾波輸出到低失真放大器AD8009實(shí)現(xiàn)增益控制，實(shí)際輸出波形可由示波器觀測，系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示.

圖1 信號(hào)發(fā)生器總體框圖

1.1 電源模塊

該系統(tǒng)中模塊供電電壓需要+5 V、+12 V和-12 V，而高頻試驗(yàn)箱采用220 V 市電供電，這要求必須將外部市電經(jīng)變壓器降壓后分別轉(zhuǎn)化為+5 V、+12 V和-12 V.電源模塊采用LM78L12、LM79L12 和LM78L05 穩(wěn)壓芯片，該系列電源芯片具有低紋波、高效率、小體積、輸入范圍廣的特點(diǎn).由于電源電路屬于常用電路，這里不再介紹.

1.2 控制系統(tǒng)電路

控制系統(tǒng)采用STC10F08 單片機(jī)為主控制器，具體電路如圖2 所示.通過調(diào)節(jié)EC11 編碼器（K1）控制AD9851輸出信號(hào)頻率，并在數(shù)碼管上顯示.

圖2 控制系統(tǒng)電路

1.3 波形產(chǎn)生電路

AD9851 是一款高集成度的DDS 器件，內(nèi)部包括可編程DDS 系統(tǒng)、高性能DAC 及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成和時(shí)鐘發(fā)生.當(dāng)供電電壓為2.7 V并處于省電功能時(shí)，其功耗僅為4 mW.具體波形產(chǎn)生電路如圖3 所示，通過幅度調(diào)節(jié)電位器R4連續(xù)控制輸出正弦波的幅度，其經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路濾波及放大后最終輸出幅度范圍為0.1～1 V.

圖3 波形產(chǎn)生電路

1.4 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路包括濾波網(wǎng)絡(luò)和放大電路兩部分，具體電路如圖4 所示.AD9851 輸出的正弦波信號(hào)先經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)，再送到AD8009（Op Amp）中進(jìn)行信號(hào)放大.AD8009 是一種超高速電流反饋型放大器，壓擺率很高，達(dá)5 500 V/μs，上升時(shí)間很短，僅為545 ps，因而非常適合用作脈沖放大器.

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

1.5 顯示模塊電路

顯示電路由數(shù)碼管、移位寄存器74LS164和共陰三極管驅(qū)動(dòng)，具體電路如圖5 所示.74LS164管腳B 接高電平，則允許數(shù)據(jù)從A 管腳輸入，P0.0～P0.5高電平時(shí)負(fù)責(zé)片選數(shù)碼管.

圖5 顯示模塊電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C 語言編寫，通過STC10F08單片機(jī)控制AD9851，使AD9851產(chǎn)生一路正弦波信號(hào).通過EC11 旋轉(zhuǎn)編碼器和幅度調(diào)節(jié)電位器調(diào)整輸出信號(hào)的頻率和幅度，并通過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波和放大，達(dá)到輸出要求.頻率調(diào)節(jié)后通過STC10F08單片機(jī)控制在數(shù)碼管上進(jìn)行頻率顯示.程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示.

圖6 程序設(shè)計(jì)流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)方案可行性與可靠性，按照上述電路原理制作了相應(yīng)的硬件電路，如圖7所示，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)主要以頻率和幅度兩個(gè)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測量對(duì)比.

圖7 高頻正弦波發(fā)生器硬件電路

3.1 頻率測試

實(shí)驗(yàn)中，在0.1～45 MHz 的頻率范圍內(nèi)測量該方案輸出的正弦波的頻率，部分實(shí)測數(shù)據(jù)如表1 所示.由表1 可見，在0.1～45 MHz 頻率下，設(shè)置頻率值和測量值之間相對(duì)誤差小于0.5‰，說明該方案的頻率穩(wěn)定度很高.

表1 頻率的測量

3.2 電壓測試

實(shí)驗(yàn)在0.1～45 MHz 的頻率范圍內(nèi)，對(duì)幅值范圍在0.1～1 V 的信號(hào)進(jìn)行測量，部分實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)如表2所示.由表2可見，在0.1～45 MHz頻率范圍內(nèi)，輸出正弦波的幅值與設(shè)置值之間的相對(duì)誤差小于10%，說明了方案具有一定的精度.

4 結(jié)論

表2 電壓測量

為設(shè)計(jì)出信號(hào)頻率為0.1～45 MHz，輸出幅度在0.1～1 V可調(diào)且幅度誤差不大于10%的高頻正弦波信號(hào)發(fā)生器，本設(shè)計(jì)先由AD9851 模塊產(chǎn)生正弦波，然后經(jīng)過由濾波網(wǎng)絡(luò)和AD8009 組成的信號(hào)調(diào)理電路輸出波形穩(wěn)定的正弦波.實(shí)驗(yàn)測試證明設(shè)計(jì)的正弦波信號(hào)發(fā)生器具有較高的頻率穩(wěn)定度，也具有一定的幅度穩(wěn)定度，完全能滿足高頻電子線路實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要，并對(duì)其他高頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值.本設(shè)計(jì)輸出幅度可調(diào)范圍偏小，下一步研究重點(diǎn)應(yīng)是擴(kuò)大幅度調(diào)節(jié)范圍和使其具有更高精度.