基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

楊 力 敬興龍 李 江 新疆華隆油田科技股份有限公司

周云旭 西南石油大學(xué)

基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

楊 力 敬興龍 李 江 新疆華隆油田科技股份有限公司

周云旭 西南石油大學(xué)

隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)源通常都要求要有具備高穩(wěn)定度和高精度。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)為新一代函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。本文主要介紹一種通過(guò)直接數(shù)字頻率合成的方法，采用AVR Mega16單片機(jī)作為控制核心的低頻信號(hào)發(fā)生器，能產(chǎn)生頻率從1～500Hz的正弦波、鋸齒波、方波、三角波信號(hào)，具有頻率穩(wěn)定，性價(jià)比高的特點(diǎn)。

單片機(jī)；低頻信號(hào)

引言

低頻信號(hào)發(fā)生器是一種常用的基本電子設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究和生產(chǎn)中，都有著廣泛的運(yùn)用。在當(dāng)前的頻率合成技術(shù)中，直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，簡(jiǎn)稱DDS)是一種新的頻率合成技術(shù)，而且直接數(shù)字頻率合成器是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的一種新型器件，它采用了全數(shù)字技術(shù)，使其具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間快、相位噪聲低等諸多的優(yōu)點(diǎn)[1]，并且還有很強(qiáng)的數(shù)字調(diào)制功能和其它功能，在通信等電子系統(tǒng)中使用這種技術(shù)，可以最大化的簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)的可靠性。

1.直接數(shù)字頻率合成技術(shù)

1.1 頻率合成技術(shù)原理

DDS芯片中主要包括相位累加器、正弦計(jì)算器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器[2]。相位累加器根據(jù)頻率控制寄存器裝載的用戶輸入的頻率控制碼在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行相位累加，得到一個(gè)相位值；正弦計(jì)算器則對(duì)該相位值計(jì)算數(shù)字化正弦波幅度（芯片一般通過(guò)查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過(guò)高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個(gè)可用的模擬頻率信號(hào)。

DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦信號(hào)波形原理圖如圖2.1所示[3]。DDS的工作過(guò)程為：在時(shí)鐘FC的作用下，相位累加器對(duì)頻率控制字FCW進(jìn)行線性累加，當(dāng)相位累加器累積滿時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一次溢出，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號(hào)頻率。相位累加器輸出的相位碼送至相幅轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，當(dāng)取不同的頻率控制字FCW時(shí)，相位累加器具有不同的相位增量，這樣，相幅轉(zhuǎn)換器輸出正弦波形的頻率就不同，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)變換后得到模擬的階梯波電壓，再經(jīng)低通濾波器平滑后即可得到所需的正弦波信號(hào)。

1.2 相位累加器

相位累加器是DDS最基本的組成部分，用于實(shí)現(xiàn)相位的累加并存儲(chǔ)其累加結(jié)果。若當(dāng)前相位累加器的值為，經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期后變?yōu)椋瑒t：

1.3 ROM正弦查詢表

DDS正弦查詢表所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是每一個(gè)相位所對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字正弦幅值，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，相位累加器輸出序列進(jìn)行尋址，輸出為該相位相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制正弦幅值序列。ROM的存儲(chǔ)量為×S比特，其中P為相位累加器的輸出位數(shù)，S為ROM的輸出位數(shù)。P和S值越大DDS輸出的效果就越好，但是占用的ROM空間也越大，成本就會(huì)成倍提高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)往往是根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的P值和S值，本文P和S值都為8。

2.低頻信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)不帶D/A轉(zhuǎn)換電路，所以需要另外設(shè)計(jì)。另外，本次設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器頻率較低，因此，本設(shè)計(jì)采用DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生波形的選擇由外部按鍵進(jìn)行選擇。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)各部分功能要求，整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序由按鍵程序、顯示控制程序和數(shù)據(jù)處理程序組成，編程軟件采用ICC AVR 6.31A進(jìn)行編譯。

圖1 DDS技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)波形原理圖

圖2 50Hz信號(hào)波形

按鍵程序：由鍵盤輸入頻率，將所輸入的頻率值通過(guò)LCD1602顯示，根據(jù)所輸入的頻率值計(jì)算出相應(yīng)的頻率控制字，由頻率控制字的值，讀取正弦數(shù)據(jù)查詢ROM表相應(yīng)地址，最后將得到的地址中的數(shù)據(jù)取出，再通過(guò)DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出。

鋸齒波的產(chǎn)生原理：鋸齒波中的斜線用一個(gè)個(gè)小臺(tái)階來(lái)逼近，在一個(gè)周期內(nèi)從最小值開(kāi)始逐步遞增，當(dāng)達(dá)到最大值后回到最小值，設(shè)定自變量不斷地自加1，直到加到255，又自動(dòng)歸0，如此循環(huán)，適當(dāng)選擇循環(huán)時(shí)間，可以得到不同周期的鋸齒波。

方波的產(chǎn)生原理：設(shè)定自變量使之延時(shí)一段時(shí)間，再令自變量在135時(shí)在延時(shí)與為0相同的時(shí)間，重復(fù)上述過(guò)程即可產(chǎn)生方波。

正弦波的產(chǎn)生原理：正弦波的產(chǎn)生比較特殊，它不能由單片機(jī)直接產(chǎn)生，它只能產(chǎn)生階梯波來(lái)向正弦波逼近。很顯然，在一個(gè)周期內(nèi)階梯波的階梯數(shù)目越多，單片機(jī)輸出的波形也就越接近正弦波。

三角波的產(chǎn)生原理：由單片機(jī)按照自增和自減直接輸出結(jié)果即可得到三角波波形。

3.系統(tǒng)測(cè)試

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)可產(chǎn)生1～500Hz的信號(hào)，在高于500Hz后正弦波開(kāi)始發(fā)生失真。通過(guò)按鍵選擇波形頻率為50Hz時(shí)得到的波形如圖2所示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從測(cè)量結(jié)果可看出，采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器各項(xiàng)指標(biāo)比較穩(wěn)定。

4. 結(jié)論

制作低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器具有多種方法，本文采用DDS方式實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定信號(hào)特性，輸出信號(hào)穩(wěn)定，頻率控制分辨率高，性能優(yōu)良，方便實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的低頻信號(hào)發(fā)生器，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1]魯秋菊．基于單片機(jī)的DDS正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J]．電腦知識(shí)與技術(shù)．2011，30．

[2]王佳榮．基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[D]．吉林大學(xué)．2015．

[3]孫素平．基于DDS技術(shù)信號(hào)發(fā)生器的研究與設(shè)計(jì)[D]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)．2010．