基于DDS和單片機(jī)的低頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)

朱 輪 馬慶功

（江蘇工業(yè)學(xué)院，江蘇 常州 213016）

1 前言

高精度的信號(hào)源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它是進(jìn)行科學(xué)研究、開(kāi)發(fā)研制新產(chǎn)品、各種測(cè)試和實(shí)驗(yàn)必不可少的工具之一，在通信、電子、控制、雷達(dá)、測(cè)量、教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。一般要求頻率穩(wěn)定度高，大的功率輸出動(dòng)態(tài)范圍，良好的輸出頻率響應(yīng)，應(yīng)具有調(diào)制功能，頻譜純度高，頻率、相位、幅度可程控。精度高等特點(diǎn)。因此傳統(tǒng)的模擬信號(hào)源已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，而直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）的應(yīng)用，產(chǎn)生了全數(shù)字化的信號(hào)源，以數(shù)字為基礎(chǔ)的程控化、智能化的信號(hào)源，不僅性能指標(biāo)有了質(zhì)的飛躍，功能也更為強(qiáng)大，操作更加簡(jiǎn)便。

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，用數(shù)字控制方法從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考頻率源產(chǎn)生多個(gè)頻率信號(hào)的技術(shù)，即直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)異軍突起。其主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）頻率轉(zhuǎn)換快：DDS頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，一般在納秒級(jí)；（2）分辨率高：大多數(shù)DDS可提供的頻率分辨率在1 Hz數(shù)量級(jí)，許多可達(dá)0.001Hz；（3）頻率合成范圍寬；（4）相位噪聲低，信號(hào)純度高；（5）可控制相位：DDS可方便地控制輸出信號(hào)的相位，在頻率變換時(shí)也能保持相位聯(lián)系；（6）生成的正弦/余弦信號(hào)正交特性好等。因此，利用DDS技術(shù)特別容易產(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換、分辨率高、相位可控的信號(hào)，這在電子測(cè)量、雷達(dá)系統(tǒng)、調(diào)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 低頻信號(hào)發(fā)生器

簡(jiǎn)易低頻信號(hào)發(fā)生器要求能輸出0.1～50Hz范圍的正弦波、三角波和方波信號(hào)，其中正弦波和三角波信號(hào)可以用按鍵選擇輸出，輸出信號(hào)的頻率可以從0.1～50Hz范圍內(nèi)調(diào)整。由于輸出信號(hào)的頻率較低，因此考慮使用單片機(jī)作為控制器，用中斷查表法完成波形數(shù)據(jù)的輸出，再用D/A轉(zhuǎn)換器輸出規(guī)定的波形信號(hào)。本系統(tǒng)使用AT89C51單片機(jī)作為控制器，用DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換器。功能按鍵使用單片機(jī)的3個(gè)端口。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件組成主要包括控制部分和數(shù)模轉(zhuǎn)換兩部分，電路原理圖如圖2所示。

2.2.1 控制部分

圖1 簡(jiǎn)易低頻信號(hào)源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 簡(jiǎn)易低頻信號(hào)源電路原理圖

控制芯片選擇ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)AT89C51。片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。89C51單片機(jī)引腳排列如圖3所示。89C51單片機(jī)邏輯符號(hào)如圖4所示。

2.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換部分

DAC0832是CMOS工藝制造的8位數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器，屬于8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1微秒，片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器，其引腳排列和內(nèi)部組成原理圖如圖5和圖6所示。DAC0832與單片機(jī)接成數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入方式，當(dāng)單片機(jī)把一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入DAC寄存器時(shí)，DAC0832的輸出模擬電壓信號(hào)隨之對(duì)應(yīng)變化。利用D/A轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生各種波形，如方波、三角波、鋸齒波等以及它們組合產(chǎn)生的復(fù)合波形和不規(guī)則波形。這些復(fù)合波形利用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試設(shè)備是很難產(chǎn)生的。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 初始化子程序

初始化子程序的主要工作是設(shè)置定時(shí)器的工作模式，初值預(yù)置，開(kāi)中斷和打開(kāi)定時(shí)器等。在這里，定時(shí)器T1工作于16位定時(shí)模式，單片機(jī)按定時(shí)時(shí)間重復(fù)的把波形數(shù)據(jù)送到DAC0832的寄存器。初始化子程序流程圖如圖7所示。

2.3.2 鍵掃描子程序

鍵掃描子程序的任務(wù)是檢查3個(gè)按鍵是否有鍵按下，若有鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的功能。在這里，3個(gè)按鍵分別用于頻率增加，頻率減小和正弦波與三角波的選擇功能。鍵掃描子程序流程圖如圖8所示。

2.3.3 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序

波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序是定時(shí)器T1的中斷程序，當(dāng)定時(shí)器計(jì)時(shí)溢出時(shí)，發(fā)生一次中斷，當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，單片機(jī)將按次序?qū)⒉ㄐ螖?shù)據(jù)表中的波形數(shù)據(jù)一一送入DAC0832，DAC0832再根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)大小輸出對(duì)應(yīng)的電壓。波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序如圖9所示。

圖3 AT89C51的引腳排列結(jié)構(gòu)

圖4 邏輯符號(hào)圖

圖5 DAC0832引腳排列

圖6 DAC0832內(nèi)部組成原理圖

圖7 初始化子程序流程圖

圖8 掃描鍵子程序流程圖

圖9 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生子程序流程圖

3 結(jié)論

在電子技術(shù)中，AM調(diào)制信號(hào)源具有重要地位。傳統(tǒng)的基于模擬方法實(shí)現(xiàn)的低頻信號(hào)發(fā)生器具有頻率穩(wěn)定度差等缺點(diǎn)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，基于DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的低頻信號(hào)發(fā)生器具有頻率穩(wěn)定度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于AM調(diào)制可得到優(yōu)良的性能。本文基于模擬電路和單片機(jī)AT89C51組成的單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行硬件和軟件的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。DDS頻率合成器工作穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)，輸出頻率分辨率高可以滿足人們不斷提高的要求。本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方面，充分利用單片機(jī)AT89C51和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，完成了模擬調(diào)制低頻信號(hào)源的設(shè)計(jì)。

[1]張玉梅，闊永紅，傅豐林.基于DSP和DDS的高精度頻率信號(hào)源實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師，2004，30(1):43-45.

[2]陸原，劉國(guó)英，崔帥.一種基于DDS的幅值可調(diào)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子元器件,2008,(6)：23-25.

[3]石雄，楊加功，彭世旋.DDS芯片AD9850的工作原理及其與單片機(jī)的接口 [J].國(guó)外電子元器件，2001,(5)：53-56.

[4]Analog Devices Inc.CMOS 125MHz Complete DDSSynthesizer AD9850[Z]，1998.

[5]凌玉華.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2006.

[6]鮑麗星，陳曉爭(zhēng).一種高精度信號(hào)源的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008.16(4)：588-590

[7]崔健鵬，趙敏，江帆.采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬任意波形發(fā)生器 [J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2003，11(7)：553-555.

[8]蔣獻(xiàn)豐，錢(qián)衛(wèi)飛.基于單片機(jī)與FPGA的波形發(fā)生器[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2008，34(3)：77-79.