基于信號發(fā)生器的研究

李楊華

【摘 要】本文中的信號發(fā)生器以AD公司的AD9850直接數(shù)字合成芯片為核心，用Atmel公司的單片機AT89S51對AD9850進行控制。設(shè)計出了系統(tǒng)硬件電路的系統(tǒng)框圖，并使用multisim軟件對部分硬件電路進行了仿真。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正弦波、方波、三角波的輸出，以及幅值的調(diào)節(jié)。實驗表明，此信號發(fā)生器工作穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，輸出頻率分辨率高，可以滿足實際應(yīng)用中不斷提高的要求。

【關(guān)鍵詞】信號發(fā)生器，Multisim ，AD9850

在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，經(jīng)常要用一些信號作為測量基準(zhǔn)信號或輸出信號。隨著工業(yè)的發(fā)展，對信號的保真度、頻率的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、幅值的穩(wěn)定性提出了越來越高的要求，作為電子系統(tǒng)必不可少的組成部分的信號源，在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能，因而常稱之為電子系統(tǒng)的“心臟”。 信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學(xué)試驗等領(lǐng)域[1] . 它是一種為電子測量和計量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號設(shè)備，幾乎所有的電參量的測量都要用到信號發(fā)生器。然而在電子技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常用到的信號發(fā)生器，長期以來都是被模擬電路統(tǒng)治著。這類信號源頻率可達幾百兆赫，在高頻范圍內(nèi)其頻率穩(wěn)定度高、可調(diào)性好?？墒窃谠S多測試設(shè)備或是數(shù)字系統(tǒng)中常常需要用到低頻信號源。由傳統(tǒng)的方法構(gòu)成的低頻信號源，其性能不能令人滿意。而且用于低頻，其RC要很大，大電阻、大電容制造有困難，參數(shù)的準(zhǔn)確度難以保證，體積大、漏電損耗顯著。

本課題的設(shè)計目的就是為了解決傳統(tǒng)信號發(fā)生器所存在的問題，選擇一種合適的方案，設(shè)計一種以單片機技術(shù)為基礎(chǔ)的，可以對輸出頻率進行控制，在低頻情況下實現(xiàn)三種波形信號輸出的數(shù)字信號發(fā)生器。

一、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

設(shè)計的整體設(shè)計思路是：用單片機AT89S51作為控制系統(tǒng)，對DDS芯片AD9850進行控制，由AD9850內(nèi)部的DAC輸出端口輸出正弦波，外接雙極性輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路，將AD9850內(nèi)部的DAC輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為可以調(diào)節(jié)的電壓信號，對輸出信號的幅值進行精確控制，經(jīng)低通濾波器，濾去雜波后從AD9850的內(nèi)部比較器的輸入端輸入AD9850，則可從其比較器的輸出端輸出方波，再接一個積分電路則可將方波轉(zhuǎn)化為三角波，實現(xiàn)三種波形的輸出。同時通過雙極性輸出的I/V轉(zhuǎn)換電路可以實現(xiàn)對輸出電壓的控制。整個硬件電路由數(shù)字開關(guān)、單片機、數(shù)據(jù)鎖存器、系統(tǒng)時鐘電路、信號發(fā)生電路、幅值調(diào)節(jié)電路、低通濾波器以及波形轉(zhuǎn)換電路幾部分組成。將單片機AT89S51的P1口作為輸入端口，外接八個數(shù)字開關(guān)及八個發(fā)光二極管，八個數(shù)字開關(guān)用來實現(xiàn)對單片機控制信號的輸入。通過編寫軟件，不斷讀取P1口的值，當(dāng)任意數(shù)字開關(guān)按下時，單片機 將其所對應(yīng)的控制字由P0口輸出，經(jīng)過數(shù)據(jù)鎖存器發(fā)送給AD9850。單片機的P3口作為控制端口，用來控制和輸出AD9850的控制字裝入時鐘W_CLK和頻率更新控制時鐘FQ_UD以及AD9850的復(fù)位端。由DDS芯片產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路可以將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，同時可以實現(xiàn)對輸出波形幅度的控制和調(diào)節(jié)，經(jīng)低通濾波器濾除雜波后由OUT1端口輸出正弦波，由OUT1輸出的正弦波信號再經(jīng)AD9850內(nèi)部的比較器后由OUT2端口輸出方波，在經(jīng)過積分電路即可輸出三角波形。

二、系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

（1）輸出頻率范圍：1Hz—1MHz

（2）分辨率：0.1% FSR

（3）幅值變化范圍：-10V—10V

（4）輸出波形：正弦波、方波、三角波

三、利用 multisim仿真軟件對低通濾波電路進行仿真

（一）當(dāng)輸入一個450kHz的正弦信號時

經(jīng)過二階低通濾波器后的波形如圖2所示，圖形未失真，經(jīng)過同相放大電路后，又將信號放大2倍且并未發(fā)生失真如圖3所示。

（二）當(dāng)輸入一個1MHz的正弦波信號時

低通濾波電路的輸出波形仍未失真，但是當(dāng)繼續(xù)加大輸入信號的頻率時，經(jīng)低通濾波電路輸出的波形將會發(fā)生失真，因此，可得出此低通濾波電路的截止頻率為1MHz，這與技術(shù)指標(biāo)是想吻合的。

四、硬件電路設(shè)計過程中應(yīng)注意的問題

由于本次設(shè)計既有數(shù)字電路又有模擬電路，因此地線的走向和排布非常重要。因為數(shù)字地上的各種雜散干擾很強，一旦通過地線串到模擬地，會嚴(yán)重影響模擬電路性能。為了防止數(shù)字電路噪聲竄入模擬電路而影響其性能，數(shù)字地（DGND）網(wǎng)絡(luò)和模擬地（AGND）網(wǎng)絡(luò)在電路中盡量物理分開，兩地線網(wǎng)絡(luò)之間采用單點接地，盡量加大模擬電路的地線面積，數(shù)字電路接地則盡量構(gòu)成環(huán)路，從而減小電路中的電位差值，提高抗噪聲能力。

參考文獻：

[1][英]A·M·魯特金.常用電子測量儀器的使用[M].謝瑞和，黃志良，王觀蘭譯，電子工業(yè)出版社，1985年7月第一版。

[2]朱曉斌.電子測量儀器[M]. 電子工業(yè)出版社，1996：23-35。

[3]吳文全，葉曉慧. μΩ級小電阻測量方法研究..電測與儀表，2003。

[4]王禹橋，李威，嚴(yán)旭. 基于C8051F005單片機的小電阻測試儀.微計算機信息，2004，09。