一種基于AD9854的信號發生器的控制系統

任青蓮，韋曉璐

(太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024)

一種基于AD9854的信號發生器的控制系統

任青蓮，韋曉璐

(太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024)

研究了基于AD9854的信號發生器的相關控制技術。以STC12LE5A56S2單片機為例，詳細闡述了單片機對AD9854芯片的控制，以及PC機和單片機之間的串口通信技術。所設計的信號發生器可以利用上位機通過串口對下位機進行控制，實現數據的發送和接收，從而方便有效地控制AD9854的工作。該控制系統具有操作簡單、實用性強、控制界面可視化等優點，具有一定的實用價值。

信號發生器；AD9854；控制系統

0 引言

在飛速發展的電子時代，任意波形發生器已經成為一種必不可少的電子儀器，廣泛應用于雷達、導航、通信和儀器儀表等領域[1]，其輸出信號的靈活性成為用戶選擇的一個重要因素。因而，尋找一種方便有效的控制方法，使其操作簡單易行，從而能為用戶最大限度地提供方便有效的測試環境是設計者追求的共同目標。

DDS采用全數字技術，具有工作頻率范圍寬、頻率分辨率高、頻率切換時相位連續、任意波形輸出能力和數字調制性能等優點，是任意波形發生器研究的一個重要方向[2]。本文從實際應用出發，在基于AD9854設計的信號發生器的基礎上，對其控制理論進行深入研究，利用VB串口通信技術實現在Windows操作系統下PC機與單片機的通信，以控制DDS芯片的工作。該方法操作簡單、系統可靠、控制界面可視化，從而極大地方便了用戶的使用。

1 信號發生器控制系統原理

信號發生器控制系統結構框圖如圖1所示。它由PC上位機、STC12LE5A56S2單片機、DDS芯片AD9854、鍵盤、液晶顯示、低通濾波器和放大電路組成[3]。其中，單片機和AD9854用于產生信號，鍵盤、液晶顯示以及PC上位機則用來實現人機交互，濾波器與放大電路則對信號進行后期處理。

系統對于波形的輸出控制有兩種途徑：一種是利用面板按鍵輸入命令，液晶顯示命令的執行結果，同時單片機通過接收到的命令去控制DDS芯片，最后由DDS輸出相應波形；另一種是利用上位機通過串口通信對下位機進行控制，下位機的單片機再控制液晶的顯示以及DDS芯片的工作。兩種方法可以同時使用，通過靈活地控制AD9854，達到輸出所需波形的目的。

圖1 信號發生器控制系統結構框圖

2 信號發生器控制系統總體設計

2.1 單片機鍵盤掃描、液晶顯示控制

單片機監控鍵盤的操作流程如圖2所示。在所制作的系統板上有4個按鍵，第1個按鍵是選擇液晶顯示頁面，通過該鍵選擇切換到所需的功能設定界面。液晶的主界面顯示項目的主要信息，每次通電時液晶自動顯示主頁面，當第1個按鍵按下，就會轉到下一個頁面，按的次數決定了選擇第幾個界面顯示，在界面切換的同時，輸出的波形也會跟隨顯示界面的切換而切換。第2個按鍵是當前界面下各種功能的設置選擇鍵，可以選擇當前頁面所需要修改的選項，當選擇要修改的選項時，液晶上光標會移動到該選項上，表示當前的參數可以修改，如當進入到掃頻控制區界面時，液晶上顯示掃頻控制參數，再對其參數進行設置。第3個和第4個按鍵分別是執行頻率、相位、幅度的設置，所有參數可通過上位機直接輸入數據，也可在當前值的基礎上通過第3、第4個按鍵進行增、減操作。這4個按鍵互相配合，組成多種組合控制，能夠控制產生正弦波、方波、三角波、調制波(ASK、FSK、PSK)以及掃頻波等[4]，電路簡單并且易于操作。

圖2 單片機監控鍵盤的操作流程圖

2.2 PC機對單片機的控制

2.2.1 開發軟件的選擇

圖3為單片機監控串口操作流程圖。STC12LE5A56S2單片機的 P3.0和 P3.1口分別是串行通信的接收管腳和發送管腳，工作方式為全雙工串行通信方式。PC機有多種編程語言可以編寫串行通信軟件，如Visual Basic、C語言和Java等。

圖3 單片機監控串口操作流程圖

本設計利用Visual Basic實現PC機與單片機的通信。VB是面向對象的可視化程序設計語言，具有方便的界面設計功能，其提供的 MSComm控件可簡單便捷地實現應用程序的串口通信，結合Timer控件，通過設置、監視Mscomm控件的屬性和事件，即可完成對串口的初始化和數據的傳輸和接收。

2.2.2 PC機對單片機的控制

串口的控制界面如圖4所示，分3個部分。第1部分為串口操作區，當電路連接電腦后，首先在串口操作區點擊選擇端口，選擇在計算機上所對應的端口，圖4中所對應的為Com5，再點擊“打開串口”按鈕，即可成功打開串口連上單片機；在單片機按鍵顯示區，當電路板上有按鍵按下時，對應的燈就會點亮以指示按鍵的操作。第2部分為頻率控制區，在該區，頻率是以Hz為單位，范圍在0 MHz～125 MHz內可調，在步進調節框中可根據需要設置步進大小，最后點擊“修改頻率”按鈕即可完成輸出頻率的更改。第3部分為掃頻控制區，在該區，通過輸入起始頻率、結束頻率、掃頻步長、時間間隔、掃頻周期等相關參數，點擊“修改掃頻參數”按鈕即可完成掃頻參數設置。該上位機軟件還可以根據需要進行功能擴展。

圖4 串口的控制界面

為了能夠保存每次所修改的數據，在VB程序中利用 Dir()函數，先判斷是否存在數據記錄文件，沒有則使用軟件的默認值進行加載數據信息，并生成相應的記錄文件，下次再開啟軟件時自動加載最后一次所修改的數據。這樣就可以防止在軟件意外關閉時造成數據的丟失，從而避免了一些不必要的麻煩。

3 頻率控制字計算

根據用戶對波形頻率的要求，即可計算出相應的頻率控制字[5]：

Wfcn=(f×2N)/fclk.

(1)

其中:Wfcn為頻率控制字；f為所需頻率；fclk為時鐘頻率；N為相位累加器的位數。

本設計相位累加器的位數為48位，為了使計算程序簡單，可設高16位為0，只使用低32位頻率寄存器，則輸出精度為0.05 Hz，完全能滿足設計要求。

在本系統中，DDS芯片AD9854的主控時鐘頻率fclk為200 MHz，例如，當需要輸出頻率f=1 kHz的波形時，公式(1)求出相應的頻率控制字為：

=f·15H.

(2)

則可得出當需要輸出頻率為1 kHz的波形時，頻率控制字的低32位為00005208H，因為高16位為0000H，則可得48位的頻率控制字為000000005208H。將頻率控制字分批傳送到AD9854內部的DDS核，即可進行頻率合成[6]。

4 實驗結果

4.1 系統輸出波形測試及數據分析

當需要1 kHz的正弦波時，根據上面計算的結果，送入頻率控制字000000005208H，進行頻率合成，得出如圖5所示實測波形，由圖5可知，實際輸出波形頻率為999.998 Hz，絕對誤差為0.002 Hz，相對誤差為0.0002%，誤差很小，在允許的范圍內。

圖5 f=1 kHz的正弦波

4.2 調幅信號結果及分析

圖6為500 Hz～10 000 Hz掃頻波形，為普通調幅信號，其載波頻率為100 kHz，調制信號頻率為1 kHz，調幅系數為1，所測結果完全滿足設計要求。

5 結論

本文在DDS任意波形發生器基礎之上，從理論和實際兩個方面，對直接數字頻率合成技術的控制方法進行研究。理論分析和實際測試表明該方法能有效地控制AD9854產生各種所需波形。該信號發生器系統結構簡單、性能優良，配合上位機，能夠極大地方便用

戶的使用，具有一定的實用價值。

圖6 掃頻波形(500 Hz～10 000 Hz)

[1] 楊蕊.基于DDS技術的使用信號源的設計[D].武漢:華中師范大學，2012:20-31.

[2] 周研，劉祖深.基于雙DDS跳變的捷變頻率發生器的設計[J].電子測量與儀器學報，2010(6)：590-594.

[3] 卜祥軍.基于AVR的DDS數字可調共振源的設計[J].太原科技大學學報，2010(6)：489-492.

[4] 邱仲潘,宋智軍.Visual Basic 2010從入門到精通[M].北京:電子工業出版社，2011.

[5] Douding.用DDS產生各種波形程序集[EB/OL].[2010-06-05].http://www.docin.com/p-33835126.html.

[6] 森榮二.LC濾波器設計與制作[M].薛培鼎,譯.北京：科學出版社,2006.

[7] 戶川治朗.實用電源電路設計[M].高玉蘋,譯.北京:科學出版社,2006.

A Control System of Signal Generator Based on AD9854

REN Qing-lian, WEI Xiao-lu

(School of Electronic and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China)

This paper studies the control technique of the signal generator based on AD9854. By using STC12LE5A56S2 MCU as example, the paper details the control to AD9854 by MCU, and the serial communication theory between PC and MCU. The signal generator realizes the data transmitting and receiving by the control of the host computer to the lower machine through serial port, so as to control the AD9854. The control system has the advantages of simple operation, strong practicability, visualization control interface，etc. It has some reference and use value.

signal generator; AD9854; control system

1672- 6413(2015)06- 0153- 03

2015- 05- 21；

2015- 09- 23

任青蓮(1973-)，女，山西太原人，副教授，碩士，主要研究方向為無線通信與電子技術應用。

TP273

A

山西省高等學校大學生創新創業訓練項目(2014281);2014年度校級大學生創新性實驗項目(xj2014068)