基于DDS的可程控信號源的設計和實現

張峰+劉慶峰

摘 要： 基于AD7008和AD7520芯片設計了一個可程控信號源，只需通過電腦設置發送控制命令參數，就能夠產生頻率和幅度符合要求的數字檢測信號。詳細介紹了該方案的軟件和硬件的設計要點以及在調試中應注意的問題。調試結果及實際應用表明該信號源工作穩定，精度較高，頻率、幅度控制都非常便利，在電子設備的電路板故障檢測中起到了很好的作用。

主題詞： 程控信號源； AD7008； 頻率控制； AD7520； 幅度控制

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0079?04

Design and implementation of programmable signal source based on DDS

ZHANG Feng， LIU Qing?feng

（Unit 91413 of PLA， Qinhuangdao 066000， China）

Abstract： A programmable signal source with AD7008 chip and AD7520 chip was designed. By sending the control command parameters through PC settings， the digital detection signal meeting the requirements of frequency and amplitude can be generated. The key points of the software and hardware design on the program and their debugging cautions are introduced in this paper. The debugging results and actual application prove that the signal source works stable， and has high accuracy， convenient frequency and amplitude control. It has played a important role in fault detection of circuit boards.

Keyword： programmable signal source； AD7008； frequency control； AD7520； amplitude control

很多電子設備在檢查電路板故障時，都希望使用由電腦自動控制頻率、幅度變化的信號源。雖然利用信號發生器芯片（MAX038），再加上切換開關、電阻等元器件，也能夠控制幅度和頻率的變化，但通過這樣的控制結果是離散的，電路連接復雜，操縱使用也十分麻煩，而如果通過數字直接合成芯片（AD7008）和D/A轉換芯片（AD7520），組合成可控制信號源，可很方便產生調頻波、調幅波、方波及正弦波等，并且產生的信號非常準確，由電腦控制其幅度和頻率，調節起來十分便利。

1 電路總體設計

PC機一般為插卡結構，為了在設備電路板檢測故障中好用、易用，在設計信號源時要考慮適應PC機，盡量設計成插卡式的。PC機通過接口連接，發送控制命令，使電路發出幅度和頻率符合要求的信號信息，即通過數字直接合成芯片AD7008，產生頻率符合要求的正弦信號，然后再將信號傳輸到AD7520構成的數控衰減電路，通過此電路就可以控制輸出信號的幅度大小，就能夠得到頻率和幅度可調節的信號。電路框圖如圖1所示。

圖1 信號源硬件框圖

2 器件簡介

ADI公司的AD7008器件由可編程DDS系統、高性能10位DAC及與計算機串行、并行接口和控制電路組成，利用了先進的直接數字合成（DDS）技術，能實現全數字編程控制的頻率合成器。接上控制時序的晶振，產生精確的時鐘信號，AD7008可發出一個模擬正弦波輸出信號，該信號的頻率和相位都可編程控制調節[1]。如果要更進一步控制，還可以對此信號進行調頻、調相或幅度控制。該輸出信號可直接作為頻率可變化的信號源或轉換成方波信號。AD7008的主要性能指標如下：

可以用并行口或串行口直接輸入頻率、相位、調幅幅度等控制參數；內含32位可編程頻率寄存器；集成有10位D/A轉換器；采用CMOS低功耗工藝；可通過人機設定或為硬件降功耗方式；最大輸出電流20 mA、最大輸出電壓為1 V；單一電源（+5 V）供電；設計有44腳的PLCC封裝。

AD7008芯片的引腳，主要有地址線、數據線、DAC輸出、參考時鐘輸入引腳、寄存器組選擇、頻率更新引腳、復位信號及系統同步時鐘引腳等。

AD7008芯片的結構見如圖2所示。它主要由三個部分組成：一是包括一個32位的相加累加器、一個余弦/正弦表、一個10位的D/A轉換器和兩個頻率、一個相位及兩個幅度調節單元等組成的可編程DDS數字合成系統；二是一個命令寄存器和兩個幅度寄存器用于控制AD7008芯片的工作模式（用于調節I及Q幅度）等；三是控制電路和并、串行接口等，與計算機接口實現對相位、幅度和頻率調節寄存器等的修改、寫入。

圖2 AD7008芯片的系統結構圖

3 具體電路設計和頻率、幅度的控制

3.1 基于AD7008的可程控信號源的SCH圖

圖3是由AD7008和計算機接口組成的實際電路。AD7008與計算機之間采用并行8位的接口。鎖存器74LS273與AD7008連接，通過鎖存器輸出信號到TC0～ TC3，RESET，LOAD，SLEEP和FSELECT等對AD7008進行控制。當SLESECT=0或SLESECT=1，就能通過輸出頻率決定FREQ0寄存器的值或FREQ1寄存器的值；TC0～TC3是傳輸地址控制總線，它的作用是數據傳輸過程中使用目的、源寄存器[1]。LOAD引腳作用是數據裝載允許，當高電平時，TC3～TC0總線選中的寄存器，允許寫數據。SLEEP引腳作用是低功耗休眠控制，高電平時，AD7008進入低功耗休眠。內部時鐘停止，同時DAC電流源關閉。RESET的作用就是寄存器復位，高電平時，所有寄存器復位為零，同時不能輸出信號。經過DAC轉換，電流信號成為電壓信號，通過低通濾波器和射隨器，輸出為正弦或調頻調幅信號。FREQ0或FREQ1的值為頻率指數，決定信號的頻率，FREQ0，FREQ1的字長是32位，通過8位并行口4次輸入，按高位到低位的順序傳送[2?4]。

3.2 頻率控制

本設計采用時鐘為20 MHz，字長為32位。因此最小頻率為：

[FL=20×106232]

最大頻率為：

[FM=1（4T）=FCLK4=5 MHz]

由：

[F=KFL=K×20×106232]

得到：

[K=F×232（20×106）]

[K]值取整，通過8位并行口送入FREQ0或FREQ1中，就可以對信號的頻率進行控制。幅度和相位調節與上述類似，都是通過將調節值送入對應的寄存器控制。

3.3 幅度控制

幅度控制基于ADI公司的AD7520來進行設計，該器件是單片10位16引腳雙列直插式封裝的乘法型模/數轉換器。采用先進的CMOS及薄膜工藝，能夠提供10位精度，并與TTL/DTL/CMOS兼容。AD7520工作電源為[+5～+15 V，]包括梯形網絡在內的功耗20 mW。由AD7520構成的數字控制的衰減器電路如圖3所示。根據圖3中AD7520的部分所示電路，LF353的2腳輸入電流的表達式如下：

[I01=IREF（D12-1+D22-2+…+D102-10）]

將[IREF=VREFR，][VREF=VIN]代入上式得：

[I01=VIN（R（D12-1+D22-2+…+D102-10））]

采用運算放大器將輸入的電流轉換成電壓，再輸出，得到LF353的輸出電壓[VOUT]為：

[VOUT=-I01R]

將表達式[I01]代入，得：

[VOUT=-VIN（D12-1+D22-2+…+D102-10）]

可見輸入電壓經過該電路后受到衰減后輸出，隨著[D1～D10]的值的不斷改變，輸出電壓也隨之進行變化。輸出電壓和輸入電壓最大值相當，輸出電壓最小值與輸入電壓的[11 024]（衰減可達60 dB）相當。本設計是通過74LS273鎖存器輸出信號，來控制AD7520的衰減量。因此由電腦向74LS273內寫入不同參數的方式就能夠對衰減量進行控制[5]。

4 程序設計

通過C語言編程設計，總體設計策略是[6]：首先輸入頻率、幅度，計算幅度控制字和頻率指數；把頻率指數[K]值傳輸到AD7008的32位并行口寄存器；然后設置頻率寄存器的地址；傳輸幅度控制字到幅度控制字寄存器中；最后把[K]值裝載入頻率寄存器，產生信號[7]。該編程設計已在BC5.0環境下成功編譯，程序源碼如下：

/*------system（"send1.exe PORT BYTE.BY"）；------*/

#include

#include

#include

#include

#include

void signal（int fr1b4，int fr1b3，int fr1b2，int fr1b1，int am1-2，int am1-8）

void sglres（）

void main（）

{

sglres（）

signal（30000，0x3ff）；

adjust（0x10）；

}

void sglres（） /*AD7008芯片復位控制*/

{

outport（0x212，0xff）；

outport（0x212，0xff）；

outport（0x212，0xff）；

outport（0x212，0x00）；

outport（0x212，0x00）；

outport（0x212，0x00）；

}

void signal（unsigned long f?value，unsignal int am?value）

/*設置AD7008輸出信號頻率及AD7520對信號的衰減量*/

{

unsigned int fr1b4，fr1b3，fr1b2，fr1b1，am1?2，am1?8；

unsigned long k1，k2，k3；

k1=（f?value*0x800000）/10000000；

fr1b4=int（k1/（0x10000000））；

k2=k1?fr1b4*（0x10000000）；

fr1b3=int（k2/（0x10000））；

k3=k2?fr1b3*（0x10000）；

fr1b2=int（k3/（0x100））；

fr1b1=k3?fr1b2*（0x100）；

if am?value>0x3ff am?value=0x3ff；

if am?value<0x00 am?value=0x00；

am1?2=int（am?value/（0x100））；

am1?8=am?value?am1?2*（0x100）；

sglres（）；

outport（0x212，0xff）；

outport（0x212，0x00）；

outport（0x216，0x00）；

outport（0x212，0x04）；

outport（0x212，0x00）；

outport（0x216，fr1b4）；

outport（0x216，fr1b3）；

outport（0x216，fr1b2）；

outport（0x216，fr1b1）；

outport（0x212，0x80）；

outport（0x212，0x84）；

outport（0x212，0x00）；

outport（0x212，am1?2）；

outport（0x218，am1?8）；

}

5 結 語

文中信號源按照插入PC機ISO槽結構設計， 利用PC機中的±12 V電源，通過7805芯片和7905芯片穩壓后得到信號板所需的+5 V模擬電源和-5 V模擬電源。通過膽電容和0.1 μF高頻小獨石電容并聯，得到電源濾波電容[8?9]。因頻率和幅度變化界限較大，其中幅度的最小值達到了2 mV。為了不使數字部分對模擬部分產生大的干擾，PCB板采用四層板設計，其中最中間兩層，一層為數字地，一層為模擬地，而且通過插槽使數字地和模擬地相連。芯片上的數字電源和模擬電源、模擬地和數字地分開隔離，芯片上的電源端需要采取措施，加0.1 μF的高頻去耦電容。另外在用示波器進行檢測時，示波器接地端要和PCB板上的接地端連接牢固后，才能進行測試，否則如果檢測中示波器接地端與PCB板斷開，就很有可能造成芯片燒損。

調試結果、實際應用表明：本文設計的基于AD7008的可程控信號源工作穩定，精度較高，頻率、幅度控制都非常便利，在電子設備的電路板故障檢測中起到了很好的作用。

參考文獻

[1] 徐勤建.AD7008構成的可程控信號源設計[J].國外電子元器件，2000（11）：30?33.

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[3] 李華.MCS51單片機實用接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，1993.

[4] 竇振中.單片機外圍器件實用手冊存儲器分冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[5] 劉保生.基于虛擬儀器技術的鐵路信號試驗車自動測試系統研究[D].北京：北京交通大學，2007.

[6] 張衛東，杜普選.用AD7008實現多音頻調制的調頻信號[J].北方交通大學學報，2003，27（3）：104?106.

[7] 李德偉.基于DDS的可程控信號源的設計和實現[C]//信息產業部電子對抗專業情報網2006年技術交流會論文集.北京：信息產業部，2006.

[8] 胡奇巧.壓電加速度傳感器校準系統的程控信號源研究[D].合肥：安徽大學，2005.

[9] 劉勝龍.汽車發動機ECU環境耐久性測試系統關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2010.

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outport（0x216，fr1b3）；

outport（0x216，fr1b2）；

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outport（0x212，0x84）；

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outport（0x212，am1?2）；

outport（0x218，am1?8）；

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5 結 語

文中信號源按照插入PC機ISO槽結構設計， 利用PC機中的±12 V電源，通過7805芯片和7905芯片穩壓后得到信號板所需的+5 V模擬電源和-5 V模擬電源。通過膽電容和0.1 μF高頻小獨石電容并聯，得到電源濾波電容[8?9]。因頻率和幅度變化界限較大，其中幅度的最小值達到了2 mV。為了不使數字部分對模擬部分產生大的干擾，PCB板采用四層板設計，其中最中間兩層，一層為數字地，一層為模擬地，而且通過插槽使數字地和模擬地相連。芯片上的數字電源和模擬電源、模擬地和數字地分開隔離，芯片上的電源端需要采取措施，加0.1 μF的高頻去耦電容。另外在用示波器進行檢測時，示波器接地端要和PCB板上的接地端連接牢固后，才能進行測試，否則如果檢測中示波器接地端與PCB板斷開，就很有可能造成芯片燒損。

調試結果、實際應用表明：本文設計的基于AD7008的可程控信號源工作穩定，精度較高，頻率、幅度控制都非常便利，在電子設備的電路板故障檢測中起到了很好的作用。

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[9] 劉勝龍.汽車發動機ECU環境耐久性測試系統關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2010.

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5 結 語

文中信號源按照插入PC機ISO槽結構設計， 利用PC機中的±12 V電源，通過7805芯片和7905芯片穩壓后得到信號板所需的+5 V模擬電源和-5 V模擬電源。通過膽電容和0.1 μF高頻小獨石電容并聯，得到電源濾波電容[8?9]。因頻率和幅度變化界限較大，其中幅度的最小值達到了2 mV。為了不使數字部分對模擬部分產生大的干擾，PCB板采用四層板設計，其中最中間兩層，一層為數字地，一層為模擬地，而且通過插槽使數字地和模擬地相連。芯片上的數字電源和模擬電源、模擬地和數字地分開隔離，芯片上的電源端需要采取措施，加0.1 μF的高頻去耦電容。另外在用示波器進行檢測時，示波器接地端要和PCB板上的接地端連接牢固后，才能進行測試，否則如果檢測中示波器接地端與PCB板斷開，就很有可能造成芯片燒損。

調試結果、實際應用表明：本文設計的基于AD7008的可程控信號源工作穩定，精度較高，頻率、幅度控制都非常便利，在電子設備的電路板故障檢測中起到了很好的作用。

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