基于LPC2132數字信號源的設計與實(shí)現

摘要：介紹了基于LPC2132為主控芯片的數字信號發(fā)生器的設計方法，分別采用直接數字頻率合成(DDS)芯片和可編程邏輯器件(CPLD)產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，并設計了模擬信號放大與增益控制電路。通過(guò)鍵盤(pán)可方便的切換不同信號，實(shí)現了波形穩定、精度較高、幅頻在規定范內可調的新型數字信號源。
關(guān)鍵詞：LPC2132；數字信號源；DDS；CPLD

在計算機控制技術(shù)、通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，信號源作為現代電子產(chǎn)品設計和生產(chǎn)中的重要工具，其應用越來(lái)越廣泛，對信號源的頻率范圍、穩定度、幅值與頻率微調等提出較高的要求，普通的信號源已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代電子技術(shù)的要求，因此，低成本高精度信號源的設計，在高校教學(xué)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的推廣使用具有非常重要的意義。本設計以PHILIPS公司生產(chǎn)的LPC2132微控制器為主控芯片，采用專(zhuān)用的直接數字合成(DDS)芯片AD9850產(chǎn)生正弦波和方波，的采用LPC2132+CPLD(EPM7128AETC100)方案產(chǎn)生三角波，設計了模擬信號放大與增益控制電路?？梢詫?shí)現多種波形輸出，輸出信號頻率和電壓峰-峰值步進(jìn)可調，是一款新型的數字可調信號源。

1 系統原理與硬件設計
信號源的硬件整體結構如圖1所示。以單片機LPC2132為控制核心，主要由鍵盤(pán)與LCD顯示模塊、正弦波和方波發(fā)生模塊(DDS)、三角波發(fā)生模塊(CPLD與高速D／A)、增益控制和放大模塊組成。系統設計方案是根據信號源連續可調多波形輸出的要求，采用MCU發(fā)送頻率控制字給DDS芯片AD9850來(lái)實(shí)現的正弦波和方波的連續輸出，而三角波的實(shí)現是由MCU發(fā)送頻率控制字給CPLD和D／A產(chǎn)生。同時(shí)，單片機可以控制模擬轉換開(kāi)關(guān)選擇輸出波形，通過(guò)對放大驅動(dòng)電路的數字電位器控制改變輸出增益。信號的類(lèi)型、幅度和頻率的設置及顯示，由鍵盤(pán)和LED顯示器實(shí)現。

1．1 直接數字頻率合成的原理
直接數字合成技術(shù)DDS(Direct Digital Synthesizer)是應用十分廣泛的頻率合成技術(shù)，用數字的方法獲得一個(gè)正弦信號原理如下：設單頻正弦信號表達式為：
Sout=Asinωt=Asin(2πfoutt) (1)
為了便于采用數字技術(shù)，對連續的正弦信號進(jìn)行離散化處理，即把相位和幅值均轉化為數字量。用頻率為fclk的基準時(shí)鐘對正弦信號進(jìn)行抽樣，在一個(gè)基準時(shí)鐘周期Tclk內，相位θ的變化量為：

上式表明，在基準時(shí)鐘信號頻率fckl確定的情況下，輸出正弦信號的頻率值fckl決定于M的大小，且與M呈線(xiàn)性關(guān)系。M稱(chēng)為頻率控制字，N為相位累加器字長(cháng)。當M取1時(shí)，可以得到輸出最小頻率，即頻率分辨率為。
將相位轉化為數字量以后，正弦信號描述為如下形式：

其中Mk-1指前一個(gè)基準時(shí)鐘周期的相位值。
由此可知，只要用頻率控制字M進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加運算，就可以得到正弦函數的當前相位值。而正弦信號的幅值就是當前相位值的函數。獲得正弦信號的方法如圖2所示：先構建一個(gè)N位的相位累加器，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內，將相位累加器中的值與頻率控制字相加，得到當前相位值。將當前相位值作為ROM的地址，讀出ROM中的正弦渡數據，再通過(guò)D／A轉換成模擬信號。只需改變頻率控制字，就可以一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接經(jīng)過(guò)比較器可轉換為方波輸出。