SPCE061A與AD9851的低頻可控信號發(fā)生器

摘要：基于DDS直接數字頻率合成技術(shù)原理，采用凌陽(yáng)SPCE061A單片機作為人機界面控制單元和參數形成處理單元，首先以一片AD9851芯片為核心產(chǎn)生頻率在10 Hz～30 MHz可調、幅度穩定的正弦波、方波和三角波信號，然后通過(guò)一路可控模擬開(kāi)關(guān)(使用AD7502芯片)選擇波形輸出。再通過(guò)外接鍵盤(pán)按鍵控制輸出頻率及頻率步進(jìn)，并通過(guò)LCD顯示輸出波類(lèi)型、頻率及電壓幅度。該系統除具有基本函數信號發(fā)生器的主要功能外，還可控制輸出頻率在10 Hz～1 MHz之間變化的波型信號，同時(shí)還能夠保障輸出電平滿(mǎn)足Vpp=(0～5 V)±0.1 V。在輸出為50 Ω負載的條件下，可實(shí)現頻率在10 Hz～1 kHz范圍內步進(jìn)10 Hz，在10 kHz～1 MHz范圍內步進(jìn)1 kHz。在實(shí)驗教學(xué)、生產(chǎn)等應用中，有一定的使用和推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：SPCE061A;DDS技術(shù);AD9851;AD7502

引言

隨著(zhù)科技的發(fā)展，普通性能的單一波形發(fā)生器已經(jīng)越柬越不能滿(mǎn)足實(shí)際的需求。要實(shí)現性能復雜的及波形多樣性的發(fā)生器，DDS直接數字頻率合成技術(shù)使用在信號發(fā)生器設計中，相較與傳統頻率合成器，具有低成本、低功耗、分辨率和快速轉換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。其中頻率分辨率高，體現在輸出頻點(diǎn)多，可達2個(gè)頻點(diǎn)(N為相位累加器位數);頻率切換速度可達μs量級;可輸出寬帶正交信號，且輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用。

1 系統設計方案

本系統主要由SPCE061A微處理器模塊、LCD液晶顯示模塊、1×8 LED鍵盤(pán)模組、DDS數字頻率合成模塊、波形轉換模塊、幅度控制模塊及電源模塊等電路模塊組成。

系統采用凌陽(yáng)SPCE061A開(kāi)發(fā)板作為核心處理器件。主單片機主要控制DDS芯片AD9851工作，產(chǎn)生預置頻率和相位的正弦信號，輸出信號經(jīng)低通濾波得到純凈的正弦波，再經(jīng)電流放大級高頻放大抬高輸出電壓幅度。本系統采用一路模擬開(kāi)關(guān)AD7802控制正弦波等的輸出，并通過(guò)鍵盤(pán)模塊按鍵觸發(fā)控制頻率步進(jìn)。主處理器同時(shí)還控制LCD同步顯示輸出波形頻率及幅度大小。從處理器用于控制峰值檢測、自動(dòng)增益控制等。具體系統框圖如圖1所示。

1.1 系統硬件設計

1.1.1 SPCE061A單片機控制單元

單片機控制單元是整個(gè)系統的核心，通過(guò)SPCE061A控制信號產(chǎn)生單元、按鍵電路、顯示電路、波形轉換電路及幅度控制電路。

1.1.2 直接數字頻率合成模塊

AD9851是ADI公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)推出的高集成度DDS頻率合成器。本文主要采用SPCE061A控制AD9851頻率控制字實(shí)現頻率合成，并經(jīng)低通濾波器濾除噪聲和雜散信號，最終得到比較純正的正弦波信號。同時(shí)，調制后的正弦波信號通過(guò)主SPCE061A A/D采樣后，并行輸入改變DDS芯片頻率控制字，便可實(shí)現調頻，基本不需要外圍路，且最大頻偏可由軟件系統任意更變。通過(guò)設置放大部分反饋電阻控制輸出電壓幅度，并使輸出幅度在0～5 V范圍內可調。DDS原理圖如圖2所示。

正弦信號發(fā)生電路如圖3所示。

1.1.3 正弦波，方波，三角波分時(shí)顯示模塊

該模塊選用模擬開(kāi)關(guān)AD7502分時(shí)顯示正弦波、方波和三角波，AD7502單芯片CMOS雙路4通道模擬多路復用器，為可程控模擬開(kāi)關(guān)，它根據2個(gè)二進(jìn)制地址輸入和一個(gè)使能輸入的狀態(tài)，將2路輸出總線(xiàn)切換至8路輸入中的2路，功能框圖如圖4所示。本系統選擇1路信號輸出，正弦波、方波、三角波分別由S1、S2、S3輸入，OUT1控制其輸出，單片機通過(guò)控制A0、A1和EN控制3路信號輸出。EN=1時(shí)，A0A1=00輸出為方波，AOAI=01輸出為三角波，A0A1=10輸出為正弦波。波形發(fā)生模塊電路如圖5所示。

1.1.4 信號放大模塊

由于DDS信號在加負載的情況下，信號的幅度穩定性比較差，所以首先提高DDS信號的負載能力，可以通過(guò)電流放大來(lái)實(shí)現，然后經(jīng)過(guò)后級電壓放大完成。如圖6所示，用電流放大器OPA2652，再通過(guò)高頻放大器THL4001作為后級電壓放大。首先將DDS的輸出電流用電流放大器OPA 2652放大，提高DDS的負載能力，受高頻的影響也就相應地減小，輸出電壓相對穩定，然后通過(guò)THL4001高頻運放放大達到設計要求。

具體電路原理圖如圖7所示，OPA2652是高增益帶寬積電流放大器，其增益帶寬積為700 MHz，最大輸出電流為100 mA，足夠放大10 MHz的信號，能夠很大限度地提高電路的帶負載能力。DDS信號首先經(jīng)過(guò)R5和R6分流，然后進(jìn)入OPA2652放大器同相放大，增益由電位器RF控制。由于是電流放大，所以OPA2652的典型電路上的電阻值都比較小。在實(shí)際電路制作時(shí)，理論值49.9 Ω電阻用51 Ω的代替，402 Ω的電阻用兩個(gè)200 Ω的電阻串聯(lián)代替，175 Ω的電阻用150 Ω和27Ω的電阻串聯(lián)代替。為了降低電源熱噪聲干擾，電源經(jīng)過(guò)0.1μF和6.8μF的電容接地進(jìn)行濾波，正負電源之間接0.1μF的去藕電容。后級放大采用單通道、低噪聲、增益變化范圍連續可調的可控增益放大器THS4011，增益帶寬積帶寬為270 MHz，其增益帶寬可以達到270 MHZ(±4.5 V～1 5 V供電)，并且在60 MHZ的帶寬內頻率特性曲線(xiàn)很平坦(0.1dB，G=1)。THS4011的連接方法很多，可以正項輸入，也可以負項輸入，本系統采用正項輸入法，負項通過(guò)RC回路接地，降低電路本身的噪聲，從而實(shí)現信號放大功能。

1.1.5 幅度控制模塊

該模塊采用SPCE061A單片機控制正弦波幅度。SPCE061A自帶的ADC、DAC無(wú)需外部擴展，由AD9851輸出的正弦波信號通過(guò)信號抬高電路進(jìn)入微處理器進(jìn)行A/D轉換，將模擬信號轉換為數字信號送入DAC芯片AD7805，AD7805再將數字信號轉換為正弦波輸出。人機界面，單片機內部D/A將一定數字信號轉換為模擬電流輸出，輸出的電流信號再通過(guò)外部電路轉換為電壓輸出，通過(guò)控制AD7805的參考電壓Vref控制正弦波輸出幅度。幅度控制電路如圖8所示。

1.1.6 鍵盤(pán)與顯示模塊

鍵盤(pán)是人工干預單片機進(jìn)行控制的重要手段，可以實(shí)現向單片機輸入數據、傳送命令、切換功能等。此模塊SPCE061A主要用于信號采集，并選用凌陽(yáng)1×8 LED鍵盤(pán)模組，按鍵控制頻率步進(jìn)及頻率選擇。在顯示模塊上采用128×64 LCD的液晶屏作為波形類(lèi)別、頻率大小和電壓幅度的顯示終端，鍵盤(pán)與LCD在單片機應用系統中構成良好的人機交互界面。

1.1.7 電源電路模塊

因為AD9851的工作電壓為3.3 V，AD7502的工作電壓為15 V，THL4011的工作電壓為12 V，所以系統需要多個(gè)電源。采用LM317可調三端穩壓器輸出3.3 V和15 V電壓供給DDS芯片及AD7502，用LM7905穩壓芯片提供+5 V穩定電壓，用LM7812芯片為T(mén)HL4011提供12 V的穩定工作電壓。

1.2 軟件設計

系統軟件部分主要包括了具有友好界面的操作菜單、各種信號的設置和控制等。系統主要使用C語(yǔ)言編程，SPCE061A主程序用于控制AD9851頻率合成和人機對話(huà)控制。40位數據分五次發(fā)送，系統以按鍵形式控制信息輸入，單片機在獲取按鍵信息后，按照優(yōu)先級別設計處理不同的狀態(tài)，按照如圖9所示的程序流程圖，對系統進(jìn)行控制。從單片機程序主要負責波形信號的A/D轉換，然后通過(guò)7528由主程序控制輸出信號電壓峰峰值。主次分明的設計，使層次化程序的通用性與適應性進(jìn)一步增強。在人機界面上，力求界面的防彈性，做到輸入錯誤的保護，使整個(gè)系統的操作十分人性化。

2 測試數據結果與分析

當接1 kΩ負載時(shí)，輸出三類(lèi)波形在不同頻率下的電壓幅值變化測試結果如表1～3所列。

由以上測試數據看見(jiàn)當帶1 kΩ負載時(shí)，輸出電平幅值除方波外滿(mǎn)足幅度Vpp=(0～5 V)±0.1 V，而電壓均出現一定誤差。

在輸出為50 Ω負載的條件下，對輸出信號頻率做步進(jìn)測試，經(jīng)測試輸出電壓幅度范圍：0.01～6.34 V。完全滿(mǎn)足輸出電壓峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V要求。10 Hz～1 kHz范圍內頻率步進(jìn)10 Hz，測試數據結果如表4所列。

在10 kHz～1 MHz范圍內步進(jìn)1 kHz，測試數據如表5所列。

由以上測試結果可知，系統在帶負載能力上效果良好。在輸出為50 Ω負載條件下效果明顯。且在10 kHz～1 MHz頻率范圍內系統驅動(dòng)能力強，且能滿(mǎn)足輸出電壓峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V。

由示波器輸出波形可以看出，波形干凈、清晰、無(wú)任何干擾。由波形看出，本設計符合性能指標要求，且輸出波形平滑，無(wú)明顯失真。在實(shí)際應用中，有一定的使用和推廣價(jià)值。