一種基于DDS的幅值可調信號發(fā)生器的設計

2 系統組成
本系統設計是以單片機AT89S52為控制器，以微處理器應用技術(shù)和DDS AD9850技術(shù)為核心，通過(guò)微處理器控制AD9850，實(shí)現頻率預置、控制字的設置等功能。AD9850實(shí)現信號發(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(shí)現正弦信號幅值的可調性。系統硬件電路設計由單片機系統控制電路、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(shí)現頻率合成與控制。AD9850內部集成有1個(gè)32位相位累加器，1個(gè)正弦查詢(xún)表和1個(gè)10位高速數模轉換器，相位累加器是核心。該器件的最高時(shí)鐘參考頻率為125 MHz，最低時(shí)鐘參考頻率為1 MHz。當系統時(shí)鐘低于最低時(shí)鐘頻率時(shí)，系統自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。AD9850內部含有40位數據寄存器，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(chǎng)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(shí)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(shí)鐘頻率。
圖2是信號產(chǎn)生電路，本系統設計通過(guò)并行端口控制內部寄存器，采用外部12 MHz參考時(shí)鐘輸入。DAC的滿(mǎn)刻度輸出電流為20 mA，當IOUTB和IOUT引腳輸出的滿(mǎn)刻度電流為10 mA時(shí)，輸出信號的無(wú)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(shí)電路輸出為所需正弦波，但需對該正弦波進(jìn)行調整才能滿(mǎn)足實(shí)際設計需求。

3．2 幅值調節模塊
由于A(yíng)D9850輸出的正弦信號只有固定幅值，無(wú)法滿(mǎn)足幅值可調。因此利用可編程放大器實(shí)現幅值控制。但這種方法只能實(shí)現倍數調節，而無(wú)法實(shí)現高精度連續調節。本設計正弦幅值控制要求必須連續可調，要高精度，因此采用D／A轉換器TLC5615控制AD534的輸入信號，實(shí)現幅值連續調制。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(xiàn)就可完成10位數據的串行輸入，易于與工業(yè)標準的微處理器或微控制器接口連接，簡(jiǎn)化電路設計。TLC5615的輸出函數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(shí)現10位幅值調節，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(jìn)入放大器濾除共模信號。其傳輸函數VO=(X1―X2)(Yl一Y2)／(10V)+Z2。本系統X2、Y2與Z2全接地，兩路相乘信號改為單端對地輸入，線(xiàn)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為幅值調節模塊輸出，VDDS為AD9850輸出，由于A(yíng)D9850輸出幅值為l V，因此VOUT是由TLC5615決定實(shí)現幅值可調。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，而系統設計要求無(wú)直流分量輸出，因此需要高通濾波。AD9850內部無(wú)低通濾波器，內部D／A轉換及系統時(shí)鐘等可能產(chǎn)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(chǎng)產(chǎn)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(shí)，直接設計的有源帶通濾波器在通頻帶內的幅值波動(dòng)較大，一致性差，不能滿(mǎn)足應用要求。根據實(shí)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，其中系統的通頻帶范圍為50 Hz～3 kHz，放大倍數為2，Q值為1。其帶通濾波電路如圖4所示。

4 軟件設計
系統軟件設計采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，相對于匯編語(yǔ)言而言，C語(yǔ)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(gè)硬件寄存器、數據寄存器、顯示元件的初始化。
功能模塊是由顯示模塊、鍵盤(pán)輸入模塊和信號發(fā)生模塊3部分組成，其中鍵盤(pán)模塊主要用于設置頻率、相位和幅值。系統軟件設計流程圖如圖5所示。

5 結語(yǔ)
本系統設計是以AD9850和TLC5615為核心解決了信號發(fā)生器幅值可調問(wèn)題。在交變磁場(chǎng)測量?jì)x的應用中產(chǎn)生較為理想的波形數據，且波形平滑，無(wú)明顯毛刺，其幅值調節精度可達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(jìn)一步改進(jìn)提高。