正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研制

劉榮章　廣東省機(jī)械技師學(xué)院　廣州　510450

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正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與研制

劉榮章廣東省機(jī)械技師學(xué)院廣州510450

【文章摘要】

本文設(shè)計(jì)了一款新型的簡(jiǎn)易正弦信號(hào)發(fā)生器。利用DDS合成技術(shù)，以ATmega16為控制中心，通過(guò)外部矩陣按鍵，可以在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生任意頻率的正弦波信號(hào)，由于DDS集成芯片產(chǎn)生的正弦信號(hào)幅值比較小，再利用AD827芯片把正弦波信號(hào)進(jìn)行放大。該正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)不僅精度高，調(diào)節(jié)范圍大，而且產(chǎn)生的波形溫度，干擾少，能滿足各種場(chǎng)合的要求。

【關(guān)鍵詞】

新型；DDS；正弦波；精度高；干擾少

0　引言

正弦波是頻率成分最為單一的一種信號(hào)，因這種信號(hào)的波形是數(shù)學(xué)上的正弦曲線而得名。任何復(fù)雜信號(hào)——例如音樂(lè)信號(hào)，都可以看成由許許多多頻率不同、大小不等的正弦波復(fù)合而成。由于不同的波形，通過(guò)傅里葉變換，都可以變換成由各種頻率和幅值的正弦波，所以正弦波在信息傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著重要的作用，通過(guò)產(chǎn)生正弦波來(lái)研究和分析其主要的參數(shù)特征具有很重要的意義。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)的總結(jié)設(shè)計(jì)框圖如圖1.1所示，以ATmege16位核心，外接矩陣按鈕和LCD顯示電路，采用專用的DDS芯片AD9850產(chǎn)生正弦波。AD9850是采用DDS技術(shù)、高度集成化的器件，當(dāng)它在并行工作方式時(shí)，有8根數(shù)據(jù)線、3根控制線與單片機(jī)相連。 芯片AD9850產(chǎn)生的信號(hào)再通過(guò)信號(hào)放大器AD827把幅值放大到要求的電壓幅值。

圖1.1　系統(tǒng)框圖

2　硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega16 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

Atmege16只需要加上復(fù)位電路就可以構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，但是如果使用外部晶振，則還需要晶振電路。

2.2DDS集成芯片AD9850

（1）AD9850芯片簡(jiǎn)介

AD9850采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，在內(nèi)部集成了32位相位累加器、14 位正/余弦查詢表和高性能的10 位 D / A轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)高速比較器。通過(guò)并口或串口寫入的頻率控制字來(lái)設(shè)定相位累加器的步長(zhǎng)大小，相位累加器輸出的數(shù)字相位通過(guò)查找正/余弦查詢表得到所需頻率信號(hào)的采樣值，然后通過(guò)D / A變換，輸出所需頻率的正弦波信號(hào)。還可以通過(guò)高速比較器將該正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波，作為時(shí)鐘信號(hào)輸出。

另外AD9850還包含40位頻率/相位控制字，可通過(guò)并行或串行方式送入器件：并行方式指連續(xù)輸入5次，每次同時(shí)輸入8位（1個(gè)字節(jié)）;串行方式則是在一個(gè)管腳完成40位串行數(shù)據(jù)流的輸入。這40位控制字中有32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于掉電控制，2位用于選擇工作方式。

（2）AD9850模塊電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用并行輸入的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能。AD9850控制簡(jiǎn)單，可用8 位并行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。

圖2.1　AD9850模塊電路及放大電路

在并行輸入方式下，通過(guò)8位總線D0～D7將外部控制字輸入到寄存器，在WCLK（字輸入時(shí)鐘）的上升沿裝入第一個(gè)字節(jié)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)W - CLK的上升沿讀入5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到輸入寄存器后，W-CLK的邊沿就不再起作用。然后在FQ - UD（頻率更新時(shí)鐘）上升沿到來(lái)時(shí)將這40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位寄存器，這時(shí)DDS輸出頻率和相位更新一次，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器以等待下一次的頻率/相位控制字輸入。

AD9850模塊電路圖如圖2.1所示。

2.3輸出放大電路AD827

由于DDS集成芯片產(chǎn)生的正弦信號(hào)幅值一般都比較小，為了達(dá)到輸出端帶上50Ω電阻時(shí)輸出端的電壓峰-峰值Vopp≥1V的要求，在DDS模塊的輸出端接上一級(jí)放大電路。為了使系統(tǒng)輸出的信號(hào)最高頻率為15MHz，所用到的運(yùn)放的帶寬必須很寬。選用的是寬帶的高速運(yùn)放AD827，其內(nèi)部集成了兩個(gè)運(yùn)放（AD827）。電路圖如圖2.1所示。為了消除高次諧波，在放大電路前加入了一級(jí)低通濾波電路,其截至頻率在20MHz左右。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后送到放大電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器可以得到符合要求的電壓幅值。為了提高電路帶負(fù)載能力后接了一個(gè)電壓跟隨器。

2.4鍵盤設(shè)置輸入

2.4.1步進(jìn)100Hz的按鍵輸入

頻率的設(shè)置上我們采用了兩種頻率輸入方式，第一種是在固定的初始頻率下，采用步進(jìn)100Hz的方法設(shè)置兩個(gè)按鍵（UP、 DOWM）。

2.4.2矩陣鍵盤頻率設(shè)置輸入

矩陣鍵盤頻率設(shè)置輸入是第二種頻率輸入方式，它可以隨意設(shè)置輸入頻率的大小，減少對(duì)單片機(jī)IO口的占用，使用靈活，方便。

2.5LCD1602顯示輸出

本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)陣字符型液晶顯示器LCD1602，分辨率較高，顯示范圍較廣，同時(shí)支持?jǐn)?shù)字和字符顯示。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，現(xiàn)在字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)中最常用的信息顯示器件了。1602通用型液晶模塊可以顯示2行16個(gè)字符，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、EN三個(gè)控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光。

2.6電源的設(shè)計(jì)

由于采用外部開(kāi)關(guān)電源，所以只需要設(shè)置電源的接口，在設(shè)置電源接口時(shí)增加了指示燈和濾波電容，在電源入口處并聯(lián)了一個(gè)0.01uF小電容和一個(gè)220uF的大電容，這樣可以濾除低頻和高頻信號(hào)的干擾，使電源的電壓更加穩(wěn)定和可靠。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件的總體設(shè)計(jì)流程圖如圖3.1所示，系統(tǒng)通過(guò)讀取外部按鈕設(shè)定的頻率值，然后單片機(jī)輸出特定的指令配置AD9850，最后輸出要求頻率和幅值的正弦波形。

圖3.1　軟件設(shè)計(jì)流程圖

4　結(jié)論

本文通過(guò)利用DDS這種先進(jìn)的頻率合成技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)正弦信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)發(fā)生器以單片機(jī)Atmege16為核心，外加矩陣按鈕和AD9850芯片電路構(gòu)成的，能夠在一定范圍內(nèi)隨意設(shè)定輸出頻率，滿足了很多場(chǎng)合的需求。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，系統(tǒng)的頻率精度高，輸出頻率范圍廣、穩(wěn)定，便于攜帶和使用。