林沖鋒，梁龍學(xué)，索云天

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對相應(yīng)的測試儀器和測試手段也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的信號發(fā)生器大多由模擬或數(shù)字電路構(gòu)成，其可編程性、精度以及穩(wěn)定度等性能已經(jīng)無法滿足人們對高精密高穩(wěn)定度信號發(fā)生器的要求。因此，設(shè)計(jì)新型的多功能高精密信號發(fā)生器具有一定的意義。設(shè)計(jì)采用新型DDS芯片AD9854和單片機(jī)ATmega32構(gòu)成信號發(fā)生器的核心部分，通過上位機(jī)設(shè)置信號參數(shù)，可輸出高頻率分辨率的正弦波、方波以及FSK、ASK等多種波形，并且具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

1 DDS及AD9854簡介

1971年，美國學(xué)者J.Tierney等人在其撰寫的《A Digital Frequency Synthesizer》一文中首次提到了直接數(shù)字頻率合成(DDS)的概念［1］。但是，限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件水平，其性能指標(biāo)尚不能與已有的技術(shù)相比，故未受到重視。近年來，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中。其優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)具體體現(xiàn)在相對帶寬大、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制信號、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有較高的性價(jià)比。DDS技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達(dá)、遙控遙測、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。

DDS是根據(jù)正弦函數(shù)的產(chǎn)生，從相位出發(fā)，由不同的相位給出不同的電壓幅度，即相位－正弦幅度變換，最后濾波，平滑輸出所需要的頻率。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DDS的基本結(jié)構(gòu)

相位累加器在每一個(gè)時(shí)鐘脈沖內(nèi)，與頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器(ROM)的相位取樣地址，就可以把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換［2］。波形存儲器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以輸出頻譜純凈的波形。輸出頻率f0表示為

其中，K為頻率控制字;fc為系統(tǒng)時(shí)鐘，由外部參考時(shí)鐘經(jīng)過內(nèi)部倍頻后得到。最終的輸出頻率是由頻率控制字、時(shí)鐘和相位累加器位數(shù)共同決定的。

AD9854是ADI公司推出的一款DDS芯片。它采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號［3］。AD9854［4］的DDS核具有48位的頻率分辨率，在300 MHz系統(tǒng)時(shí)鐘下，由式(1)可以得出其頻率分辨率可達(dá)1μHz;由奈奎斯特采樣定理得，允許輸出的最高頻率為150 MHz。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由單片機(jī)ATmega32、AD9854、串口通訊電路、上位機(jī)以及低通濾波器組成。單片機(jī)通過串行方式與AD9854連接，同時(shí)通過MAX232串行通信接口接上位機(jī)。由上位機(jī)軟件設(shè)置波形參數(shù)，并將信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的信息，控制AD9854輸出相應(yīng)的波形。由于AD9854內(nèi)部不含低通濾波器，因此需要在其末端加上低通濾波器，濾除高頻分量。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 串口通訊電路設(shè)計(jì)

RS－232是目前常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。由于RS－232電路電平與TTL電平不同，因此RS232驅(qū)動(dòng)器與TTL電平連接時(shí)必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用Maxim公司的MAX232來完成這一功能。MAX232芯片包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部有一個(gè)電源電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5 V電壓變換為RS－232輸出電平所需的－10～+10 V電壓。因此，采用此芯片接口，串行通信系統(tǒng)只需單一的+5 V電源即可。串口通訊接口電路連接如圖3所示。

圖3 串口通訊接口電路

ATmega32有一個(gè)全雙工的串行通訊口，可以通過MAX232與PC進(jìn)行交互。采用三線制連接串口，即9針串口只連接其中的3根線:第2腳的IN與MAX232的T1OUT(PIN14)連接，第3腳的OUT與MAX232的R1IN(PIN13)連接，第5腳的GND接地。MAX232的T1IN引腳(PIN11)和單片機(jī)ATmega32的TXD引腳(PIN15)連接。R1OUT引腳(PIN12)和ATmega32的RXD引腳(PIN14)連接。MAX232的其它引腳連接法如下:V－引腳(PIN6)與GND引腳(PIN15)接地，V+引腳(PIN2)與VCC引腳(PIN16)接+5 V電源，其中VCC，V+，V－對地加0.1μF的去耦電容，目的是提高抗干擾能力。

3.2 單片機(jī)與AD9854接口電路

ATmega32是具有32 kB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位AVR微控制器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，具有32個(gè)可編程I/O口。文中采用串行方式與AD9854通信，完成對AD9854的控制。接口電路如圖4所示。

串行傳輸時(shí)，AD9854主要引腳定義如下:MASTER RESET為芯片復(fù)位端;I/O RESET為串行通信的復(fù)位端;SDO為串行數(shù)據(jù)輸出口(3線模式);SDIO為串行數(shù)據(jù)輸入口(3線模式);I/O UD為頻率更新端口;WRB/SCLK為串行模式時(shí)鐘信號輸入端;RDB/CSB作為串行模式片選端;FSK/BPSK/HOLD為多功能復(fù)用引腳，用來選擇芯片的工作模式;OSK在編程操作時(shí)可用來控制幅度與時(shí)間斜率;REFCLK為單端時(shí)鐘信號輸入端。

3.3 濾波器的設(shè)計(jì)

因?yàn)锳D9854內(nèi)部不含低通濾波器，所以在信號輸出端需要增加一個(gè)濾波器?？紤]到AD9854的輸出信號受參考時(shí)鐘及器件本身噪聲等因素的影響，高端散雜噪聲干擾較大，而橢圓函數(shù)低通濾波器具有較窄的過渡帶特性，且7階濾波具有更高下降速度的過濾帶，可以有效地濾除高頻干擾，因此，設(shè)計(jì)選用7階橢圓函數(shù)濾波器作為低通濾波器。電路如圖5所示。

圖4 ATmega32和AD9854的接口電路圖

圖5 7階橢圓函數(shù)濾波器

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括Windows系統(tǒng)下的上位機(jī)控制臺軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)程序設(shè)計(jì)兩部分。控制臺軟件使用VB語言編寫，控制臺軟件AD9854 Contror_Softwear的操作界面如圖6所示。

圖6 AD9854 Contror_Softwear的操作界面

單片機(jī)程序主要包括主程序、定時(shí)器中斷處理子程序和串行中斷處理子程序。串行中斷處理子程序完成控制命令的接收;主程序完成器件的初始化、處理控制命令、控制DDS芯片工作等功能［5－6］。主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

5 實(shí)際測試結(jié)果

為測試信號發(fā)生器的性能，借助示波器對其輸出波形進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 輸出兩路相互正交的正弦波

圖9 輸出FSK調(diào)制信號

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)是一個(gè)基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器，DDS技術(shù)的應(yīng)用大幅提高了信號發(fā)生器的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出頻率高、可輸出多種波形等特點(diǎn)，并且具有可編程性好、性價(jià)比高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

圖10 輸出ASK調(diào)制信號

［1］ 白居憲.直接數(shù)字頻率合成［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.

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［3］Analog Devices，Inc.AD9854 Datasheet——COMS 300 MSPS Complete DDS［M］.USA:Analog Devices，2007.

［4］ 江志紅.AVR單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)實(shí)用案例精選［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［5］ 高士友，胡學(xué)深，杜興莉，等.基于FPGA的DDS信號發(fā)生器設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(16):35－37，40.

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