基于DDS和單片機的低頻信號源的設計

朱 輪 馬慶功

（江蘇工業學院，江蘇 常州 213016）

1 前言

高精度的信號源在現代電子系統中占有十分重要的地位，它是進行科學研究、開發研制新產品、各種測試和實驗必不可少的工具之一，在通信、電子、控制、雷達、測量、教學等領域應用十分廣泛。一般要求頻率穩定度高，大的功率輸出動態范圍，良好的輸出頻率響應，應具有調制功能，頻譜純度高，頻率、相位、幅度可程控。精度高等特點。因此傳統的模擬信號源已經遠遠不能滿足要求，而直接數字合成技術（DDS）的應用，產生了全數字化的信號源，以數字為基礎的程控化、智能化的信號源，不僅性能指標有了質的飛躍，功能也更為強大，操作更加簡便。

隨著數字技術的飛速發展，高精度大動態范圍數字/模擬(D/A)轉換器的出現和廣泛應用，用數字控制方法從一個標準參考頻率源產生多個頻率信號的技術，即直接數字合成（DDS）技術異軍突起。其主要優點有：（1）頻率轉換快：DDS頻率轉換時間短，一般在納秒級；（2）分辨率高：大多數DDS可提供的頻率分辨率在1 Hz數量級，許多可達0.001Hz；（3）頻率合成范圍寬；（4）相位噪聲低，信號純度高；（5）可控制相位：DDS可方便地控制輸出信號的相位，在頻率變換時也能保持相位聯系；（6）生成的正弦/余弦信號正交特性好等。因此，利用DDS技術特別容易產生頻率快速轉換、分辨率高、相位可控的信號，這在電子測量、雷達系統、調頻通信、電子對抗等領域具有十分廣泛的應用前景。

2 系統設計

2.1 低頻信號發生器

簡易低頻信號發生器要求能輸出0.1～50Hz范圍的正弦波、三角波和方波信號，其中正弦波和三角波信號可以用按鍵選擇輸出，輸出信號的頻率可以從0.1～50Hz范圍內調整。由于輸出信號的頻率較低，因此考慮使用單片機作為控制器，用中斷查表法完成波形數據的輸出，再用D/A轉換器輸出規定的波形信號。本系統使用AT89C51單片機作為控制器，用DAC0832作為D/A轉換器。功能按鍵使用單片機的3個端口。實現系統的結構框圖如圖1所示。

2.2 系統硬件電路設計

系統的硬件組成主要包括控制部分和數模轉換兩部分，電路原理圖如圖2所示。

2.2.1 控制部分

圖1 簡易低頻信號源系統結構框圖

圖2 簡易低頻信號源電路原理圖

控制芯片選擇ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機AT89C51。片內含4K bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機數據存儲器（RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度，非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統。89C51單片機引腳排列如圖3所示。89C51單片機邏輯符號如圖4所示。

2.2.2 數模轉換部分

DAC0832是CMOS工藝制造的8位數/模(D/A)轉換器，屬于8位電流輸出型D/A轉換器，轉換時間為1微秒，片內帶輸入數字鎖存器，其引腳排列和內部組成原理圖如圖5和圖6所示。DAC0832與單片機接成數據直接寫入方式，當單片機把一個數據直接寫入DAC寄存器時，DAC0832的輸出模擬電壓信號隨之對應變化。利用D/A轉換器可以產生各種波形，如方波、三角波、鋸齒波等以及它們組合產生的復合波形和不規則波形。這些復合波形利用標準的測試設備是很難產生的。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 初始化子程序

初始化子程序的主要工作是設置定時器的工作模式，初值預置，開中斷和打開定時器等。在這里，定時器T1工作于16位定時模式，單片機按定時時間重復的把波形數據送到DAC0832的寄存器。初始化子程序流程圖如圖7所示。

2.3.2 鍵掃描子程序

鍵掃描子程序的任務是檢查3個按鍵是否有鍵按下，若有鍵按下，則執行相應的功能。在這里，3個按鍵分別用于頻率增加，頻率減小和正弦波與三角波的選擇功能。鍵掃描子程序流程圖如圖8所示。

2.3.3 波形數據產生子程序

波形數據產生子程序是定時器T1的中斷程序，當定時器計時溢出時，發生一次中斷，當發生中斷時，單片機將按次序將波形數據表中的波形數據一一送入DAC0832，DAC0832再根據輸入的數據大小輸出對應的電壓。波形數據產生子程序如圖9所示。

圖3 AT89C51的引腳排列結構

圖4 邏輯符號圖

圖5 DAC0832引腳排列

圖6 DAC0832內部組成原理圖

圖7 初始化子程序流程圖

圖8 掃描鍵子程序流程圖

圖9 波形數據產生子程序流程圖

3 結論

在電子技術中，AM調制信號源具有重要地位。傳統的基于模擬方法實現的低頻信號發生器具有頻率穩定度差等缺點，隨著電子技術的不斷發展，基于DDS技術實現的低頻信號發生器具有頻率穩定度高、分辨率高等優點，將其應用于AM調制可得到優良的性能。本文基于模擬電路和單片機AT89C51組成的單片機系統進行硬件和軟件的設計。本系統主要由硬件和軟件兩部分組成。DDS頻率合成器工作穩定，易于實現，輸出頻率分辨率高可以滿足人們不斷提高的要求。本設計在系統總體設計方面，充分利用單片機AT89C51和直接數字頻率合成技術，完成了模擬調制低頻信號源的設計。

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