基于DDS芯片的全數控函數信號發生器的設計與實現

　　0 引言

　　信號源是電子產品測量與調試、部隊設備技術保障等領域的基本電子設備。隨著科學技術的發展和測量技術的進步，普通的信號發生器已無法滿足目前日益發展的電子技術領域的生產調試需要。而DDS技術是一種新興的直接數字頻率合成技術，具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數字化易于集成、體積小、重量輕等優點，因而在雷達及通信等領域具有廣泛的應用前景。

　　1系統設計方案

　　本文提出的采用DDS作為信號發生核心器件的全數控函數信號發生器設計方案，根據輸出信號波形類型可設置、輸出信號幅度和頻率可數控、輸出頻率寬等要求，選用了美國A／D公司的AD9850芯片，并通過單片機程序控制和處理AD9850的32位頻率控制字，再經放大后加至以數字電位器為核心的數字衰減網絡，從而實現了信號幅度、頻率、類型以及輸出等選項的全數字控制。該函數信號發生器的結構如圖1所示。

　　本系統主要由單片機、DDS直接頻率信號合成器、數字衰減電路、真有效值轉換模塊、A／D轉換模塊、數字積分選擇電路等部分組成。

　　2 DDS的基本原理

　　直接數字頻率合成器（Derect Digital Synthesizer）是從相位概念出發直接合成所需波形的一種頻率合成技術。一個直接數字頻率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存儲ROM、 D／A轉換器和低通濾波器（LPF）組成。DDS的組成結構如圖2所示。其中，K為頻率控制字（也叫相位增量），P為相位控制字，W為波形控制字，fc為參考時鐘頻率，N為相位累加器的字長，D為ROM數據位及D／A轉換器的字長。相位累加器在時鐘fc的控制下以步長K累加，輸出的N位二進制碼與相位控制字P、波形控制字W相加后作為波形ROM的地址來對波形ROM進行尋址，波形ROM輸出的D位幅度碼S（n）經D／A轉換變成階梯波S（t）后，再經過低通濾波器平滑，就可以得到合成的信號波形。由于合成的信號波形取決于波形ROM中存放的幅度碼，因此，用DDS可以合成任意波形。

　　3硬件電路設計

　　3.1 DDS信號產生電路

　　考慮到DDS具有頻率分辨率較高、頻率切換速度快、切換相位連續、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數字化、易于集成、體積小、重量輕等優點，該方案選用美國A／D公司的AD9850芯片，并采用單片機為核心控制器件來對DDS輸送頻率控制字，從而使DDS輸出相應頻率和類型的信號，其DDS信號產生電路如圖3所示。

　　單片機與AD9850的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式。為了充分發揮芯片的高速性能和節約單片機資源，本設計選擇并行方式將AT89S52的 P0口經74HC373鎖存器擴展后接至DDS的并行輸入控制端（D0～D7）。AD9850外接120 MHz的有源晶振，產生的正弦信號經低通濾波器（LPF）去掉高頻諧波后即可得到波形良好的模擬信號。這樣，將D／A轉換器的輸出信號經低通濾波后，接到 AD9850內部的高速比較器上，即可直接輸出一個抖動很小的方波。再將方波信號加至積分電路，即可得到三角波信號。另外，也可通過鍵盤編輯任意波形的輸出信號。

　　3.2鍵盤輸入接口及LCD接口電路

　　本系統中的數字輸入設置電路采用2&TImes;8矩陣鍵盤。由于LCD具有顯示內容多，電路結構簡單，占用單片機資源少等優點，本系統采用RT1602C型LCD液晶顯示屏來顯示信號的類型、頻率大小和正弦波的峰一峰值，圖4所示是鍵盤輸入及LCD接口電路圖。

　　同樣，考慮到AT89S52單片機的IO引腳資源有限，本系統的鍵盤輸入及LCD輸出均通過74HC245連接到AT89S52單片機的P0端口，從而實現端口擴展和復用。

　　3.3信號幅度數控預置電路

　　為了實現對輸出的正弦模擬信號幅度的數字控制和預置，本系統采用了AD811高速運放、數字電位器衰減、真有效值轉換、以及A／D轉換等電路，具體電路圖如圖5所示。

　　數字電位器X9C102是實現信號幅度數字可調的關鍵器件。真有效值轉換模塊AD637主要負責信號的TRMS／DC轉換，然后經TLC2453模數轉換向單片機輸送正比于正弦波信號幅度的數字量，以便單片機輸出合適的幅值控制指令。

　　3.4積分電容自動切換控制電路

　　三角波是常用信號之一，本系統采用RC積分電路將方波信號轉換成三角波。由于信號頻率很寬（低頻達1 Hz以下，高頻達60 MHz以上），為了完成不同頻段的線性積分，需要不同的積分電容（10pF、100pF、1 nF、10nF、100nF、1 μF、10 μF、100μF）。基于數控和自動切換的需要，本系統采用如圖6所示的CD4051八選一電路。

　　CD4051的八選一控制信號來源于AT89S52的P0～P3接口，74HC373P也是考慮復用P0端口而設置的。AD9850輸出的方波經積分電路轉換為三角波后，經AD811高速運放可提高其負載能力。

　　4系統軟件設計

　　4.1 主程序

　　主程序可控制整個系統，包括控制系統的初始化、顯示、運算、鍵盤掃描、頻率控制、幅度控制等子程序，其主程序流程如圖7所示。

　　初始化可將系統設定為默認工作狀態，然后通過掃描鍵盤來判斷是否有按鍵按下以確定用戶要執行的任務，同時通過判斷23H.4、20H.1、20H.0各功能標志位來確定應完成的功能。當23H.4=1時，計算頻率值系統工作在頻率計方式下；當20H.1=1時，檢測峰峰值系統將檢測輸出信號的峰峰值：而當 20H.0=1時．則更新LCD顯示內容，當執行完后返回鍵盤掃描程序并以此循環。各功能標志位均由鍵盤、峰峰值檢測和定時程序等控制，從而實現各種功能。

　　4.2鍵盤掃描子程序

　　鍵盤掃描子程序如圖8所示。因按鍵較多。本系統采用2&TImes;8行列式鍵盤來節約I／O口，并用程序把8根列線全部拉低，再判斷2根行線是否有低電平，如果沒有，說明沒有按鍵被按下，系統則退出鍵盤掃描程序，否則，依次拉低列線，然后依次判斷行線是否有低電平并判斷鍵號，鍵號確定后再轉到鍵號相對應的功能程序去執行。鍵盤主要方便用戶設置頻率、幅度、選擇工作方式等功能。

　　4.3 信號頻率數字預置子程序

　　信號頻率的數字控制程序流程如圖9所示。該部分程序主要用于將鍵盤輸入值轉換成十六進制數據，然后產生相應的頻率控制字并送至DDS芯片，以改變DDS的相位增量，最終輸出相應頻率信號。

　　結束語

　　通過嚴格的實驗測試證明，本系統采用DDS完全可以實現輸出信號類型的選擇設置、信號頻率數字預置、信號幅度數字步進可調等功能，是一種輸出信號頻率覆蓋寬（0.023 Hz～40 MHz）、信號源分辨率高、波形失真小、全數控型函數信號發生器。具有一定的實用開發價值。