基于AVR系列單片機(jī)的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

李翔宇

（同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院英飛凌實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

1 多功能信號發(fā)生器的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代的信號發(fā)生器是一種多功能多波形的信號源。它可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形，另外，高端的信號發(fā)生器還可以產(chǎn)生平穩(wěn)的白噪聲波和特種波。目前，國內(nèi)信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法有多種，最常用的方法是使用含有專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300 kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活。還有一種是利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：如ICMAX038，它克服了頻率低的缺點(diǎn)，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，因而被大多數(shù)工程師所喜愛。文章所介紹的，是一種可以達(dá)到更高頻率，并且產(chǎn)生波形更加穩(wěn)定的一種方案，即單片機(jī)+DDS的解決方案。

2 功能的設(shè)計(jì)分析及整體實(shí)現(xiàn)

2.1 多功能信號發(fā)生器應(yīng)具有的功能

2.1.1 人機(jī)界面

128×64像素寬屏藍(lán)色液晶顯示，對比度可任意調(diào)節(jié)；開機(jī)QQ企鵝歡迎界面及公司信息界面，全中文操作菜單；4按鍵全功能控制，按鍵聲音提示；電源手動開關(guān)和電源指示燈，即開即用；全數(shù)字化波形類型及參數(shù)設(shè)置，單路自動切換波形輸出。

2.1.2 常用波形發(fā)生——正弦波、方波

正弦波、方波是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中常用的波形，這兩種波形最重要的兩項(xiàng)指標(biāo)是波的頻率和幅值，通過單片機(jī)產(chǎn)生的正弦波、方波的最大幅值為5 V，最大頻率根據(jù)單片機(jī)的主頻率確定。本多功能信號發(fā)生器要求波形信號幅值3.3 V～5 V，信號頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)1 Hz，最高頻率10 MHz，波形失真率3%以內(nèi)。

2.1.3 工業(yè)檢測用波形發(fā)生——白噪聲波

白噪聲是指功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。所有頻率具有相同能量的隨機(jī)噪聲稱為白噪聲。從人們耳朵的頻率響應(yīng)聽起來它是非常明亮的“咝”聲（每高一個(gè)八度，頻率就升高1倍。因此，高頻率區(qū)的能量也顯著增強(qiáng)）。由于現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)生的波形帶寬不可能為無限寬，所以本設(shè)計(jì)只要求設(shè)計(jì)產(chǎn)生限帶白噪聲，帶寬在300 MHz左右，波形失真度在3%以內(nèi)。

2.2 多功能信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)思路

2.2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在確定了各個(gè)部分模塊的功能后，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖也就形成了，見圖1。

圖1 多功能信號發(fā)生器整體系統(tǒng)框圖

3 DDS模塊的原理及實(shí)現(xiàn)

3.1 DDS基本原理

直接數(shù)字式頻率合成器DDS（Direct Digital Synthesizer），實(shí)際上是一種分頻器：通過編程頻率控制字來分頻系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSTEM CLOCK）以產(chǎn)生所需要的頻率。DDS有兩個(gè)突出的特點(diǎn)，一方面，DDS工作在數(shù)字域，一旦更新頻率控制字，輸出的頻率就相應(yīng)改變，其跳頻速率高；另一方面，由于頻率控制字的寬度寬（48 bit或者更高），頻率分辨率高。

DDS基本原理：DDS的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。DDS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖主要分為3部分：相位累加器、相位幅度轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。

3.1.1 相位累加器

一個(gè)正弦波，雖然它的幅度不是線性的，但是它的相位卻是線性增加的。DDS正是利用了這一特點(diǎn)來產(chǎn)生正弦信號。根據(jù)DDS的頻率控制字的位數(shù)N，把360°平均分成了2^n等份。假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為Fc，輸出頻率為Fout，每來1個(gè)時(shí)鐘脈沖,加法器將控制字M與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加,把相加后的結(jié)果送到累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端,使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。相位累加器在時(shí)鐘作用下，不斷對頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。可以得到如下等式：

化簡后可得輸出頻率：

3.1.2 相位幅度查詢

通過相位累加器，已經(jīng)得到了合成Fout頻率所對應(yīng)的相位信息，然后相位幅度轉(zhuǎn)換器把0°～360°的相位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)相位的幅度值。比如當(dāng)DDS選擇為2Vp-p的輸出時(shí)，45°對應(yīng)的幅度值為0.707 V，這個(gè)數(shù)值以二進(jìn)制的形式被送入DAC，這個(gè)相位到幅度的轉(zhuǎn)換是通過查表完成的。

3.1.3 DAC輸出

代表幅度的二進(jìn)制數(shù)字信號被送入DAC中，并轉(zhuǎn)換成為模擬信號輸出。注意DAC的位數(shù)并不影響輸出頻率的分辨率，輸出頻率的分辨率是由頻率控制字的位數(shù)決定的。

3.2 DDS模塊的實(shí)現(xiàn)

AD9851模塊采用了美國模擬器件公司采用先進(jìn)DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品AD9851芯片。AD9851是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有6倍參考時(shí)鐘倍乘器的DDS芯片、10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個(gè)部分組成。其中，具有6倍參考時(shí)鐘倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、D/A變換器以及低通濾波器集成到一起。這個(gè)高速DDS芯片時(shí)鐘頻率可達(dá)180 MHz，輸出頻率可達(dá)70 MHz，分辨率為0.04 Hz。

AD9851可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波，這個(gè)正弦波能夠直接作為基準(zhǔn)信號源，或通過其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)方波輸出，作為靈敏時(shí)鐘發(fā)生器來使用。

文章的DDS模塊經(jīng)調(diào)試后得出以下特性：

（1）模塊能夠輸出0～10 MHz正弦波和方波

（2）采用70 MHz的低通濾波器，使波形的SN比更好。

（3）并口和串口數(shù)據(jù)輸入可以通過一個(gè)跳帽選擇。

（4）產(chǎn)生DA基準(zhǔn)的（外接電阻）管腳引出，方便做輸出波形的幅度調(diào)節(jié)應(yīng)用。

（5）比較器的基準(zhǔn)輸入端電壓由可變電阻產(chǎn)生，調(diào)節(jié)該電阻可以得到不同的占空比方波。

4 白噪聲模塊的原理及實(shí)現(xiàn)

4.1 模擬白噪聲發(fā)生原理

白噪聲或白雜訊，是一種功率頻譜密度為常數(shù)的隨機(jī)信號或隨機(jī)過程。理想的白噪聲具有無限帶寬，因而其能量是無限大的，這在現(xiàn)實(shí)世界是不可能存在的。一般，只要一個(gè)噪聲過程所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它所作用系統(tǒng)的帶寬，并且在該帶寬中其頻譜密度基本上可以作為常數(shù)來考慮，就可以把它作為白噪聲來處理。

想要用模擬方式產(chǎn)生白噪聲，就得用到平時(shí)最常用的雙極晶體管和半導(dǎo)體二極管。在雙極晶體管和半導(dǎo)體二極管等器件中，流動的電流不是平滑和連續(xù)的，而是各個(gè)攜帶著一個(gè)電子電荷的載流子的流動產(chǎn)生的電流脈沖之和。其原因在于這些器件中有勢壘存在，而載流子通過勢壘是隨機(jī)發(fā)生的一系列獨(dú)立事件。對于晶體管，當(dāng)發(fā)射結(jié)處于正向偏置時(shí)，就有載流子越過發(fā)射結(jié)勢壘由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)。雖然單位時(shí)間內(nèi)注入基區(qū)的載流子平均數(shù)是一定的，但是，某一個(gè)載流子越過勢壘進(jìn)入基區(qū)的事件確實(shí)隨機(jī)的，它取決于載流子是否具有足夠的能量以及指向結(jié)面方向的速度的大小。這就使得注入基區(qū)的少子數(shù)目在其平均數(shù)附近發(fā)生統(tǒng)計(jì)起伏，從而引起注入電流的起伏。這種由于載流子各自獨(dú)立而隨機(jī)地通過勢壘所引起的噪聲，稱為散粒噪聲。

散粒噪聲的功率譜密度與頻率無關(guān)，屬于白噪聲。值得強(qiáng)調(diào)的是該式只在中低頻范圍內(nèi)有效，在接近1 GHz的高頻區(qū)，散粒噪聲也將隨頻率的上升而增加。盡管如此，在幾款的頻帶范圍內(nèi)，其功率譜密度仍與頻率無關(guān)。而且，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，PN結(jié)反向擊穿會使散粒噪聲激增。因此，PN結(jié)的散粒噪聲具有以下兩個(gè)特征，首先，在非常寬的頻率范圍內(nèi)，從幾個(gè)赫茲到微波頻段，其功率譜密度與頻率無關(guān)，即呈白噪聲。其次，基極-發(fā)射極的PN結(jié)反響擊穿時(shí)，噪聲強(qiáng)度激增。因此，可以用作高性能固態(tài)噪聲源。

4.2 模擬白噪聲發(fā)生模塊的實(shí)現(xiàn)

4.2.1 白噪聲發(fā)生電路設(shè)計(jì)

白噪聲信號發(fā)生器電路原理圖見圖2所示。發(fā)生器是利用普通的雙極性晶體管9014，它由雙極性晶體管2N2222提供恒流源偏置。為了增加可得到的散粒噪聲，9014的集電極處于開路而基極—發(fā)射極則為反向偏置。此時(shí)，BJT連接成其發(fā)射結(jié)處于反向擊穿狀態(tài)。

圖2 白噪聲發(fā)生器原理圖

采用這樣的配置，發(fā)射極-基極結(jié)的反向擊穿電壓可以很容易地用一般的頻譜分析儀觀察，其頻譜帶寬約為300 MHz，而功率輸出大約是-70 dBm。

為了增大噪聲功率，后級電路對散粒噪聲進(jìn)行了放大。首先是將直流信號濾除，并盡量使交流信號通過，NE5532是一個(gè)性能優(yōu)良的低噪聲電壓放大器，工作電壓為正負(fù)12 V，由它組成的跟隨器。信號再經(jīng)過一級電壓增益為100的放大電路，然后輸入一個(gè)四階的Butterworth開關(guān)電容低通濾波器電路TLC04/MF4A，最后再經(jīng)過一級跟隨電路使輸入輸出隔離。

5 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)及其調(diào)試

5.1 主芯片簡介及硬件電路

Atmega128是ATMEL公司的8位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，它性能高，功耗低，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，含有128 K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，8路10位ADC，6路分辨率可編程的PWM，兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕獲功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，并且有6種睡眠模式，功耗極低，應(yīng)用十分廣泛。

5.2 鍵盤及顯示模塊設(shè)計(jì)

為創(chuàng)造一個(gè)比較好的人機(jī)交互系統(tǒng)，鍵盤和顯示是必不可少的，但如果按鍵太多，功能太復(fù)雜，不僅提高成本，而且使用者也不方便用，所以本設(shè)計(jì)只有4個(gè)按鍵，分別是上升鍵、下降鍵、回車鍵和返回鍵，而屏幕更是把需要調(diào)試的數(shù)據(jù)通過LCD顯示在屏幕上。此外，為防止用戶誤操作及操作成功提示，本硬件電路還有蜂鳴器報(bào)警裝置。

5.3 系統(tǒng)整體硬件連接

在確定好框圖之后，把各個(gè)模塊的電路圖連在一起，最后，通過手工焊接及調(diào)試，文章制作出整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)物，見圖3。

圖3 多功能信號發(fā)生器整體系統(tǒng)實(shí)物圖

5.4 AVR單片機(jī)的編譯及其調(diào)試

文章中采用AVR Studio是Atmel官方發(fā)行的免費(fèi)軟件，其強(qiáng)大的功能和正宗的血統(tǒng)，使其成為絕大部分AVR開發(fā)者必不可少的工具。

5.5 DDS模塊軟件設(shè)計(jì)

DDS軟件模塊主要有兩個(gè)函數(shù)：ad9851_reset_serial （） 和ad9851_wr_serial （unsigned char w0，double frequence），第一個(gè)函數(shù)是DDS復(fù)位程序，第二個(gè)函數(shù)是寫DDS數(shù)據(jù)程序，復(fù)位程序比較容易，以下介紹寫AD9851的程序流程，見圖4。

圖4 DDS軟件模塊程序流程圖

5.6 鍵盤模塊軟件設(shè)計(jì)

鍵盤管理軟件模塊也分為兩個(gè)部分：keycounter（uint keytime）按鍵變頻加速部分和key()鍵盤管理主程序部分。按鍵變頻加速部分主要用于按鍵不放的情況下數(shù)碼的加速上升，原理是根據(jù)按鍵的頻率來修改判斷按鍵的延時(shí)。

5.7 顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

顯示模塊包含的子函數(shù)較多，包括init_lcd(void)屏幕初始化程序、chn_disp（uchar const*chn） 漢字 /字符顯示函數(shù)、chn_disp1（uchar const*chn）上半屏顯示漢字或字符、img_disp(uchar const*img) 顯示圖形、img_disp1（uchar const*img）下半屏顯示圖形、lat_disp （uchar data1，uchar data2） 顯示點(diǎn)陣、con_disp(uchar data1,uchar data2,uchar x0,uchar y0,uchar xl,uchar yl） 反 白 顯 示 、clrram （void） 清 DDRAM、wr_lcd（uchar dat_comm,uchar content）寫入數(shù)據(jù)、chk_busy（void）忙檢測程序。5.8 主函數(shù)

由于每個(gè)模塊的程序都很完整，所以主程序讀起來也并不復(fù)雜，主程序如下：

其中，各級子程序通過按鍵程序調(diào)用，主程序只負(fù)責(zé)初始化及判斷有無按鍵，這樣給讀程序帶來了許多方便。

6 系統(tǒng)調(diào)試效果圖

系統(tǒng)調(diào)試是一項(xiàng)漫長而艱苦的工作，但值得慶幸的是，這個(gè)過程也是最鍛煉人的，每個(gè)優(yōu)秀的工程師都是從一步步的調(diào)試錯(cuò)誤中成長起來的。

操作系統(tǒng)的運(yùn)行畫面見圖5、圖6。

圖5 主菜單界面

圖6 正弦波發(fā)生器子菜單

圖7 正弦波波形圖及FFT頻譜圖（1 888 Hz）

圖7是高檔數(shù)字示波器的顯示圖截屏，上半部分為波形顯示，下半部分為波形的FFT處理后的頻譜圖。

7 結(jié)論

文章著重介紹了最新DDS技術(shù)和白噪聲發(fā)生技術(shù)的應(yīng)用，使AD9851這款經(jīng)典DDS芯片得以揭開其真實(shí)的面紗，同時(shí)還為新興的白噪聲發(fā)生技術(shù)做了一些探索，讓大家領(lǐng)略了特殊信號的多種用途和發(fā)生技術(shù)。由于大部分部件是手工焊接，所以不可避免地帶來部分電磁干擾，如果采用全PCB工藝，效果會更好。