基于ＭＣＳ５１技術信號發生器的設計

[摘 要] 本設計以單片機AT89S52為控制核心，采用直接數字頻率合成（DDS）技術，實現正弦波、方波、三角波輸出。信號源以AD9851為核心，可實現信號可調輸出，帶寬可達10Hz～1MHz。本信號源具有數控調節0～6.2V正弦峰-峰值和頻率的功能，能實時顯示各狀態參數，此外還具有掃頻儀功能。

[關鍵詞] AT89S52 DDS AD9851 信號源

一、系統方案的選擇論證

方案1:采用單片壓控函數發生器，如8038可同時產生正弦波、方波和三角波，調節外部元件參數可改變8038的輸出頻率，但頻率范圍低、穩定度差、精度低，較難用鍵盤數控調節。

方案2:采用DDS芯片AD9851直接合成信號，其系統框圖如圖1.1，其主要優點如下:DDS頻率轉換快，一般在納秒級。分辨率高，AD9851提供分辨率可達0.03 Hz。合成范圍寬，可達0.03Hz～46.8MHz。AD9851輸出信號相位噪聲低，信號純度高，再配以少量外圍電路產生方波、三角波。控制方便，寫入命令字改變頻率，輸出信號做為DAC0832參考電壓，方便鍵盤數控調節輸出電壓范圍。綜合考慮本設計采用此方案。

本設計由單片機控制電路、信號產生電路、幅度控制電路、功率放大電路、穩壓電源電路等六部分組成。系統框圖如圖1。

二、系統硬件設計與實現

1.單片機控制系統。本部分是以AT89S52為核心的最小控制系統模塊，單片機使用8279鍵盤/顯示器接口芯片，配以3～8譯碼器選通各芯片的使能端，P2、P0結合HC573鎖存器控制各編程芯片的讀寫。顯示電路部分采用12864液晶顯示(LCD)保證顯示質量。

2.信號產生電路。波形產生電路主要由AD9851為核心結合外圍元件組成的正弦波電路、方波電路、三角波電路。

3.正弦波產生電路。為了簡化電路設計選用DDS芯片AD9851，它內部包含高速、高性能D/A轉換器和6倍參考時鐘倍乘器，轉換速率達到納秒極，分辨率高達0.03 Hz。

本設計中參考頻率選用20MHz有源晶振，經AD9851內部倍頻器6倍頻后的系統時鐘為120MHz，由頻率合成公式可以計算其分辨率為：

f0= fr/2n=120×106/232HZ=0.03HZ

因此，在20MHz晶振參考頻率下的最高分辨率可達0.03Hz。AD9851內部有5個輸入寄存器用來存儲32位頻率控制字，單片機通過對32位控制字的賦值可精確控制最終合成的信號頻率。最終合成信號頻率的計算公式為:

FOUT =fr×FSW/2N

AD9851輸出頻率受設計參數限制，輸出頻率范圍可達0.03Hz～46.8MHz，完全能滿足設計要求，配以少量外圍元件可以產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩定性很好的正弦波，經過放大、擴流可獲得頻率、幅度標準的正弦信號，作為DA轉換的基準電壓進行數控調節。電路原理圖如圖2所示。

4.方波產生電路。方波是在正弦波的基礎上，通過其內部高速比較器轉換所得。電路原理圖如附錄。

5.三角波產生電路。三角波是在方波電路的基礎上通過RC積分電路處理后得到。由于RC積分電路的特性，不同頻率范圍的方波需用檔位開關切換到不同參數的積分電路，即可變換出不同頻率范圍的三角波。

6.幅度控制電路。DAC0832是8位高速的D/A轉換器，最高工作頻率可達1MHZ，基準電壓可達 10V，分辨率為1/255。本部分電路基準電壓源采用AD9851輸出的10Hz～1MHz正弦信號，由數據口D0～D7控制輸出電壓信號的幅度，為了保證工作頻率能達到1MHz，電路采用直通型工作方式，輸出跟隨輸入同時變化。

7.功率放大電路。為了保證DAC0832輸出的電壓具有良好的帶動負載能力，需要在輸出前級加上功率放大電路。該電路使用高速運放LF356進行電壓跟隨緩沖隔離，9012、9013組成甲乙推挽放大電路使信號無失真的進行擴流。9012、9013為低噪聲放大管，性能參數相同，反壓Vbe0≤50V ，電流Icm≤0.5A， 功率Pcm≤0.6W，工作頻率≤150MHz，從而保證帶寬和擴流驅動能力。

8.穩壓電源部分。電源部分提供了+5V和±15V電源，+5V提供給集成電路芯片。±15V提供給其他外圍電路，兩路電源供電保證整機系統正常工作。

三、系統軟件設計與實現

1.單片機軟件的設計。本系統可實現頻率10Hz～1MHz的步進調整，并且可以通過鍵盤設置參數。幅度參數在0～5.0V范圍內可以調節，其參數也可通過鍵盤設置。信號的類型、幅度、頻率、和頻率的步進值可以實時顯示。

2.系統操作說明。本系統開機先首進入一個主界面，等待0.5S使系統穩定后，進入菜單。關于菜單的設定，定義了6個第一功能鍵：正弦波輸出、方波輸出、三角波輸出、幅度調整、頻率調整、掃頻輸出。此外，還有6個功能鍵：頻率加、頻率減、幅度加、幅度減、返回鍵、步進值選擇。通過以上功能鍵可以很好的完成人機對話。

3.軟件流程圖3所示

四、電路參數測試

正弦波幅度頻率調節

方波三角波頻率調節

參考文獻:

[1]胡宴如:模擬電子技術[M].高等教育出版社

[2]楊志忠:數字電子技術[M].高等教育出版社

[3]張 偉:單片機原理及應用[M].機械工業出版社

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文