基于ＭＣＳ５１技術(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

[摘 要] 本設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89S52為控制核心，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)正弦波、方波、三角波輸出。信號源以AD9851為核心，可實(shí)現(xiàn)信號可調(diào)輸出，帶寬可達(dá)10Hz～1MHz。本信號源具有數(shù)控調(diào)節(jié)0～6.2V正弦峰-峰值和頻率的功能，能實(shí)時顯示各狀態(tài)參數(shù)，此外還具有掃頻儀功能。

[關(guān)鍵詞] AT89S52 DDS AD9851 信號源

一、系統(tǒng)方案的選擇論證

方案1:采用單片壓控函數(shù)發(fā)生器，如8038可同時產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，調(diào)節(jié)外部元件參數(shù)可改變8038的輸出頻率，但頻率范圍低、穩(wěn)定度差、精度低，較難用鍵盤數(shù)控調(diào)節(jié)。

方案2:采用DDS芯片AD9851直接合成信號，其系統(tǒng)框圖如圖1.1，其主要優(yōu)點(diǎn)如下:DDS頻率轉(zhuǎn)換快，一般在納秒級。分辨率高，AD9851提供分辨率可達(dá)0.03 Hz。合成范圍寬，可達(dá)0.03Hz～46.8MHz。AD9851輸出信號相位噪聲低，信號純度高，再配以少量外圍電路產(chǎn)生方波、三角波?？刂品奖?，寫入命令字改變頻率，輸出信號做為DAC0832參考電壓，方便鍵盤數(shù)控調(diào)節(jié)輸出電壓范圍。綜合考慮本設(shè)計(jì)采用此方案。

本設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制電路、信號產(chǎn)生電路、幅度控制電路、功率放大電路、穩(wěn)壓電源電路等六部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.單片機(jī)控制系統(tǒng)。本部分是以AT89S52為核心的最小控制系統(tǒng)模塊，單片機(jī)使用8279鍵盤/顯示器接口芯片，配以3～8譯碼器選通各芯片的使能端，P2、P0結(jié)合HC573鎖存器控制各編程芯片的讀寫。顯示電路部分采用12864液晶顯示(LCD)保證顯示質(zhì)量。

2.信號產(chǎn)生電路。波形產(chǎn)生電路主要由AD9851為核心結(jié)合外圍元件組成的正弦波電路、方波電路、三角波電路。

3.正弦波產(chǎn)生電路。為了簡化電路設(shè)計(jì)選用DDS芯片AD9851，它內(nèi)部包含高速、高性能D/A轉(zhuǎn)換器和6倍參考時鐘倍乘器，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到納秒極，分辨率高達(dá)0.03 Hz。

本設(shè)計(jì)中參考頻率選用20MHz有源晶振，經(jīng)AD9851內(nèi)部倍頻器6倍頻后的系統(tǒng)時鐘為120MHz，由頻率合成公式可以計(jì)算其分辨率為：

f0= fr/2n=120×106/232HZ=0.03HZ

因此，在20MHz晶振參考頻率下的最高分辨率可達(dá)0.03Hz。AD9851內(nèi)部有5個輸入寄存器用來存儲32位頻率控制字，單片機(jī)通過對32位控制字的賦值可精確控制最終合成的信號頻率。最終合成信號頻率的計(jì)算公式為:

FOUT =fr×FSW/2N

AD9851輸出頻率受設(shè)計(jì)參數(shù)限制，輸出頻率范圍可達(dá)0.03Hz～46.8MHz，完全能滿足設(shè)計(jì)要求，配以少量外圍元件可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩(wěn)定性很好的正弦波，經(jīng)過放大、擴(kuò)流可獲得頻率、幅度標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號，作為DA轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行數(shù)控調(diào)節(jié)。電路原理圖如圖2所示。

4.方波產(chǎn)生電路。方波是在正弦波的基礎(chǔ)上，通過其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換所得。電路原理圖如附錄。

5.三角波產(chǎn)生電路。三角波是在方波電路的基礎(chǔ)上通過RC積分電路處理后得到。由于RC積分電路的特性，不同頻率范圍的方波需用檔位開關(guān)切換到不同參數(shù)的積分電路，即可變換出不同頻率范圍的三角波。

6.幅度控制電路。DAC0832是8位高速的D/A轉(zhuǎn)換器，最高工作頻率可達(dá)1MHZ，基準(zhǔn)電壓可達(dá) 10V，分辨率為1/255。本部分電路基準(zhǔn)電壓源采用AD9851輸出的10Hz～1MHz正弦信號，由數(shù)據(jù)口D0～D7控制輸出電壓信號的幅度，為了保證工作頻率能達(dá)到1MHz，電路采用直通型工作方式，輸出跟隨輸入同時變化。

7.功率放大電路。為了保證DAC0832輸出的電壓具有良好的帶動負(fù)載能力，需要在輸出前級加上功率放大電路。該電路使用高速運(yùn)放LF356進(jìn)行電壓跟隨緩沖隔離，9012、9013組成甲乙推挽放大電路使信號無失真的進(jìn)行擴(kuò)流。9012、9013為低噪聲放大管，性能參數(shù)相同，反壓Vbe0≤50V ，電流Icm≤0.5A， 功率Pcm≤0.6W，工作頻率≤150MHz，從而保證帶寬和擴(kuò)流驅(qū)動能力。

8.穩(wěn)壓電源部分。電源部分提供了+5V和±15V電源，+5V提供給集成電路芯片?！?5V提供給其他外圍電路，兩路電源供電保證整機(jī)系統(tǒng)正常工作。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)頻率10Hz～1MHz的步進(jìn)調(diào)整，并且可以通過鍵盤設(shè)置參數(shù)。幅度參數(shù)在0～5.0V范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，其參數(shù)也可通過鍵盤設(shè)置。信號的類型、幅度、頻率、和頻率的步進(jìn)值可以實(shí)時顯示。

2.系統(tǒng)操作說明。本系統(tǒng)開機(jī)先首進(jìn)入一個主界面，等待0.5S使系統(tǒng)穩(wěn)定后，進(jìn)入菜單。關(guān)于菜單的設(shè)定，定義了6個第一功能鍵：正弦波輸出、方波輸出、三角波輸出、幅度調(diào)整、頻率調(diào)整、掃頻輸出。此外，還有6個功能鍵：頻率加、頻率減、幅度加、幅度減、返回鍵、步進(jìn)值選擇。通過以上功能鍵可以很好的完成人機(jī)對話。

3.軟件流程圖3所示

四、電路參數(shù)測試

正弦波幅度頻率調(diào)節(jié)

方波三角波頻率調(diào)節(jié)

參考文獻(xiàn):

[1]胡宴如:模擬電子技術(shù)[M].高等教育出版社

[2]楊志忠:數(shù)字電子技術(shù)[M].高等教育出版社

[3]張 偉:單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文