一種基于DDS的幅值可調信號發(fā)生器的設計
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信號源發(fā)生器廣泛應用教學實驗和科研工程。直接數(shù)字頻率合成技術(DDS)具有頻率分辨率高、切換速度快、輸出信號相位連續(xù)、可輸出任意波形信號、能夠實現(xiàn)全數(shù)字自動化控制等優(yōu)點，使其已成為雷達、通信、工程設計等系統(tǒng)信號源的首選。在擴頻和跳頻系統(tǒng)、數(shù)字廣播、高清晰度電視、線性調頻以及儀器儀表以及電子測量等領域，DDS已經逐步成為高性能信號源發(fā)生器的核心技術。本文提出了一種基于AT89S52和AD9850的交變信號源發(fā)生器的設計方案，其調幅電路采用TLC5615，簡化電路設計，改進當前幅值可控信號源電路設計，提高了控制精度。
2 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)設計是以單片機AT89S52為控制器，以微處理器應用技術和DDS AD9850技術為核心，通過微處理器控制AD9850，實現(xiàn)頻率預置、控制字的設置等功能。AD9850實現(xiàn)信號發(fā)生器功能，微處理器控制D／A轉換器TLC5615，從而控制乘法器AD534，實現(xiàn)正弦信號幅值的可調性。系統(tǒng)硬件電路設計由單片機系統(tǒng)控制電路、正弦信號發(fā)生器功能電路、幅值調制電路、濾波電路和功率放大電路等組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
3 功能模塊設計
3．1 信號發(fā)生模塊
采用ADI公司的DDS器件AD9850，單片機作為控制器實現(xiàn)頻率合成與控制。AD9850內部集成有1個32位相位累加器，1個正弦查詢表和1個10位高速數(shù)模轉換器，相位累加器是核心。該器件的最高時鐘參考頻率為125 MHz，最低時鐘參考頻率為1 MHz。當系統(tǒng)時鐘低于最低時鐘頻率時，系統(tǒng)自動進入休眠模式。AD9850內部含有40位數(shù)據寄存器，其中32位頻率控制字，5位相位控制字，l位電源休眠控制字，2位廠家保留。40位控制字可并行或串行送入。AD9850的輸出頻率fout由輸入參考時鐘和32位頻率控制字決定，即fout=△phase×fclk/232。其中△phase是32位頻率控制字，fclk為輸入參考時鐘頻率。
圖2是信號產生電路，本系統(tǒng)設計通過并行端口控制內部寄存器，采用外部12 MHz參考時鐘輸入。DAC的滿刻度輸出電流為20 mA，當IOUTB和IOUT引腳輸出的滿刻度電流為10 mA時，輸出信號的無雜散范圍性能最佳。權衡后，在IOUTB和IOUT引腳上分別連接一只0．1 kΩ的電阻，這樣AD9850輸出正弦信號的峰峰值為l V。此時電路輸出為所需正弦波，但需對該正弦波進行調整才能滿足實際設計需求。
3．2 幅值調節(jié)模塊
由于AD9850輸出的正弦信號只有固定幅值，無法滿足幅值可調。因此利用可編程放大器實現(xiàn)幅值控制。但這種方法只能實現(xiàn)倍數(shù)調節(jié)，而無法實現(xiàn)高精度連續(xù)調節(jié)。本設計正弦幅值控制要求必須連續(xù)可調，要高精度，因此采用D／A轉換器TLC5615控制AD534的輸入信號，實現(xiàn)幅值連續(xù)調制。TLC5615是串行10位D／A轉換器，最大輸出電壓是基準電壓值的2倍，具有上電復位功能，只需3條串行總線就可完成10位數(shù)據的串行輸入，易于與工業(yè)標準的微處理器或微控制器接口連接，簡化電路設計。TLC5615的輸出函數(shù)VKZ=2×VREFIN×D／210，其中VREFIN為參考電壓，本設計VREFIN為2．5 V；D為頻率控制字，根據需要軟件可編程設置。微處理器控制TLC5615，實現(xiàn)10位幅值調節(jié)，精度達O．005 V。
AD534是低漂移的單路放大器，具有較寬的工作頻帶和較小的差錯率，輸入信號為差分(雙端)輸入方式，即只有差分信號才能進入放大器濾除共模信號。其傳輸函數(shù)VO=(X1―X2)(Yl一Y2)／(10V)+Z2。本系統(tǒng)X2、Y2與Z2全接地，兩路相乘信號改為單端對地輸入，線性控制輸出電壓制。其輸出電壓為：VOUT=VDDS×VKZ=2×VREFIN×(D／210)×VDDS。其中VOUT為幅值調節(jié)模塊輸出，VDDS為AD9850輸出，由于AD9850輸出幅值為l V，因此VOUT是由TLC5615決定實現(xiàn)幅值可調。其電路如圖3所示。
3．3 濾波模塊
AD9850輸出的正弦信號含有直流分量，而系統(tǒng)設計要求無直流分量輸出，因此需要高通濾波。AD9850內部無低通濾波器，內部D／A轉換及系統(tǒng)時鐘等可能產生高頻噪聲，因此DAC輸出的正弦信號中不可避免的含有高頻噪聲。為了防止高頻干擾使磁場產生紊亂，形成測量誤差，應在信號輸出端口加入低通濾波抑制高頻干擾，這樣兩者就形成了帶通濾波。在硬件電路測試時，直接設計的有源帶通濾波器在通頻帶內的幅值波動較大，一致性差，不能滿足應用要求。根據實際要求設計二階有源壓控電壓源型高通濾波器與一階低通濾波器相串聯(lián)的濾波電路，其中系統(tǒng)的通頻帶范圍為50 Hz～3 kHz，放大倍數(shù)為2，Q值為1。其帶通濾波電路如圖4所示。
4 軟件設計
系統(tǒng)軟件設計采用C語言編寫，相對于匯編語言而言，C語言對機器底層硬件操作方便，模塊化程度高，可讀性與可移植性好。該軟件設計完成信號發(fā)生器所有功能的管理，由初始化模塊、功能模塊兩大部分組成。初始化模塊用于各個硬件寄存器、數(shù)據寄存器、顯示元件的初始化。
功能模塊是由顯示模塊、鍵盤輸入模塊和信號發(fā)生模塊3部分組成，其中鍵盤模塊主要用于設置頻率、相位和幅值。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖5所示。
5 結語
本系統(tǒng)設計是以AD9850和TLC5615為核心解決了信號發(fā)生器幅值可調問題。在交變磁場測量儀的應用中產生較為理想的波形數(shù)據，且波形平滑，無明顯毛刺，其幅值調節(jié)精度可達0．007 V。目前信號發(fā)生器具有廣泛的應用前景，但在精度方面還需進一步改進提高。
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