基于DDS技術的正弦交流信號源的設計

摘要：以設計和實現可以進行功率輸出的正弦波信號源為目的，提出了一種基于DDS技術，以單片機為控制核心、AD9850芯片為頻率合成器的正弦交流電流信號源的設計方法。該正弦交流電流信號源可以產生頻率穩定且頻率范圍為1～100 Hz，電流幅值可調的正弦電流信號，具有一定的帶負載和功率輸出能力。該產品創造性地運用單片機向D／A寫入電壓控制字的方式間接控制和改變AD公司生產的AD603芯片對正弦波信號電壓幅值的增益，實現對于同一負載輸出交變電流的有效值可調節的功能，為同類信號源產品的功能改進開辟了新的思路。
關鍵詞：DDS AD9850；正弦波；信號源

0 引言
直接數字合成技術(Direct Digital Syn-thesizer，DDS)是一種用數字控制方法，從一個參考頻率源產生多種頻率的技術，這種合成技術具有換頻速度快、分辨率高、相位噪聲低、信號純度高、可控制相位等優點，被廣泛應用于航空、航天、通信、雷達等領域。美國AD公司推出的高集成度的頻率合成器AD9850是DDS技術的典型產品之一，AD9850是高穩定度的直接數字頻率合成器件，內部包含數據輸入寄存器、頻率相位數據寄存器、可編程DDS系統、高性能數／模轉換器(DAC)和高速比較器，能實現全數字編程控制的頻率合成器和時鐘發生器。如在AD9850上接入精密時鐘源，可產生一個頻譜純凈，頻率、相位都可編程控制的正弦波信號。本文基于DDS技術的原理和AD9850芯片的優良性能，設計并論述了一種可產生一定頻率，可調范圍為0～100 Hz的正弦波信號，且具有一定的帶載能力，電流幅值可調節(最大可控制輸出電流幅值為1 A)的交流信號源。該產品相比于以往的同類產品，進一步改進了其性能，有頻率可調、信號穩定的優點，并創造性的使用單片機對D／A的控制，間接實現了對輸出電流幅值的調節，從而實現了可調節的功率(電流)輸出。

1 正弦交流信號源的整體設計思路
該信號源以AVR的ATmega16單片機為核心、AD9850芯片為主體，采用HD7279芯片作為鍵盤、顯示接口。用戶可用鍵盤設定信號頻率和輸出電流的數值，由單片機將設定頻率轉換為AD9850的頻率控制字并送給AD9850，產生相應頻率的正弦波信號，同時單片機將對A／D采集到的電流值與用戶設定值進行比較，對輸出電流進行閉環反饋控制，最終將輸出電流調節為設定值。電路中的低通濾波電路可以有效濾除頻率過高的信號，輸出環節中設有放大環節和有源濾波環節，可以有效保證正弦波電流信號的帶載能力和頻率的純正。電路中還設有信號調理電路，用于將電流互感器測得的交變電流信號電位調整為單片機A／D模塊模擬輸入的點位。該產品的整體結構圖如圖1所示。

2 硬件電路設計
2．1 ATmega16單片機的選用
該信號源采用AVR的ATmega16單片機，在結構上，該款單片機由兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器／計數器，一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數器，具有獨立振蕩器的實時計數器RTC，4通道PWM，8路10位ADC，8個單端通道，TQFP封裝的7個差分通道，2個具有可編程增益(1x，10x，200x)的差分通道，面向字節的兩線接口，2個可編程的串行USART，可工作于主機／從機模式的SPI串行接口，具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器，片內模擬比較器等組成。
在性能上，該款單片機具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器，先進的RISC結構；具有131條指令，大多數指令執行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器，全靜態工作；具有非易失性程序和數據存儲器，16 KB的系統內可編程FLASH；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區，通過片上Boot程序實現系統內編程；真正的同時讀／寫操作；具有512 B E2PROM，1 KB的片內SRAM，可以對鎖定位進行編程。
運用ATmega16單片機實現對AD9850的控制編程簡便，接口簡單，成本較低，同時該款單片機體積較小，易實現小型化。因此采用AVR ATm ega16單片機作為該系統的控制核心來向AD9850發送控制字。在本產品中，單片機接人的晶振頻率為7．3728MHz。
2．2 AD9850芯片接口電路的設計
AD9850內含可編程DDS系統和高速比較器，可實現全數字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統的核心是相位累加器，由1個加法器和1個N位相位寄存器組成，N一般為24～32。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數字幅度信息，每一個地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動DAC輸出模擬量。