簡易數(shù)控信號源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李一鳴, 榮　軍, 嚴(yán)權(quán)峰, 彭　錦, 鄧　斌

(1. 湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖南 岳陽　414006;2. 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽　414006;3. 工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙　410014)

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簡易數(shù)控信號源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李一鳴1,3, 榮軍2,3, 嚴(yán)權(quán)峰1,3, 彭錦1,3, 鄧斌1,3

(1. 湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院, 湖南 岳陽414006;2. 湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院, 湖南 岳陽414006;3. 工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長沙410014)

設(shè)計(jì)了一個(gè)能產(chǎn)生不同頻率正弦波和脈沖波信號源系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)20Hz～20kHz的高精度、高穩(wěn)定度的頻率輸出,并且在10kHz內(nèi)信號幅度的平坦度為0.1dB,頻率步進(jìn)為5Hz。該系統(tǒng)采用DDS芯片AD9851作為頻率源的核心器件,以AT89S52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心,該系統(tǒng)采用中文選單式操作,人機(jī)界面友好。實(shí)驗(yàn)測試表明,該系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度和精度高,操作簡單,可以滿足高校電工電子實(shí)驗(yàn)室一般實(shí)驗(yàn)需求。

信號源； 數(shù)字控制； 直接數(shù)字頻率合成； 頻率分辨率

信號源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分,在現(xiàn)代社會中扮演著非常重要的角色,它在通信技術(shù)以及廣播電視等領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。早期的頻率合成技術(shù)是采取直接模擬頻率合成的方式,由一個(gè)或者多個(gè)頻率參考源經(jīng)過分頻、倍頻、混頻和濾波得到所需要頻率。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是頻率合成器的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜、體積大、成本高,同時(shí)很容易產(chǎn)生雜散的分量，并且很難去抑制。20世紀(jì)六七十年代,在模擬鎖相技術(shù)和相位反饋理論的相結(jié)合中,衍生了間接合成技術(shù)。間接模擬頻率合成就是一個(gè)或者多個(gè)參考信號源,經(jīng)過諧波產(chǎn)生器、分頻和混頻等變換,產(chǎn)生許多的諧波或者組合頻率,再通過鎖相環(huán)把頻率鎖定在其中一個(gè)諧波或者組合頻率上。間接模擬頻率合成器具有控制簡單、體積小和高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)在于鎖相環(huán)還存在一些不足,比如捕獲時(shí)間的問題。由于頻率轉(zhuǎn)換的時(shí)間較長,無法使單環(huán)式頻率合成器的頻率間隔做得很小,所以很難達(dá)到高速甚至超高速的要求[3-4]。針對以上問題,本文采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡易的數(shù)控信號源,該信號源在降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜程度的同時(shí),簡化了設(shè)計(jì)過程,而且提高了系統(tǒng)的整機(jī)性能。

1　數(shù)控信號源軟硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了具有正弦波和脈沖波兩種信號的發(fā)生器,由于兩種信號的差異以及脈沖信號占空比可調(diào)的要求,以AT89S52單片機(jī)為控制核心,以DDS芯片AD9851為正弦信號的頻率源,通過單片機(jī)定時(shí)器控制IO輸出產(chǎn)生頻率、占空比均可調(diào)的脈沖信號。以圖形點(diǎn)陣液晶HG12864和64鍵鍵盤智能管理芯片HD7279A構(gòu)成人機(jī)對話窗口,該系統(tǒng)整體框圖見圖1[5-6]。

圖1　系統(tǒng)整體框圖

1.1正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)供電需求以及器件性能的要求,系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)±5V的直流穩(wěn)壓電源,而且要求電源的紋波應(yīng)盡量小,以減少對輸出信號的干擾。本電源采用橋式全波整流、大電容濾波、三端穩(wěn)壓器件穩(wěn)壓的方法產(chǎn)生±5V直流電壓,固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片為LM7805和LM7905。穩(wěn)壓管的輸出通過電容和電感濾波，數(shù)字部分與模擬部分用電感隔離,這樣就可以得到紋波系數(shù)很小的直流電壓,具體電路見圖2[7-8]。

圖2　±5 V電源電路

1.2正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

設(shè)正弦波信號頻率為f0,則有

(1)

在AD9851中,頻率分辨率為

(2)

只要通過單片機(jī)向AD9851送入與f0相對應(yīng)的頻率控制字FSW0,就可得到式1所示的正弦波。

FSW0=f0/Δf0

(3)

AD9851輸出的正弦波幅度Vom由其內(nèi)部電路和外接電阻決定。當(dāng)其Iouta和Ioutb端各接100Ω電阻時(shí),其輸出波形無雜散、動態(tài)范圍最好。本設(shè)計(jì)采用此方法,其滿度輸出正電壓VOPP≈1V。由AD9851的內(nèi)部電路特性可知,其輸出的正弦信號為一個(gè)單極性的波形,數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(4)

因此在電路設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行單雙極性變換。本文由一個(gè)加法器實(shí)現(xiàn),電路見圖3。

通過上面的變換電路后,其輸出的波形的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(5)

1.3脈沖波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)片內(nèi)集成了3個(gè)通用的16定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,并且有4個(gè)8位的可編程IO端口。本系統(tǒng)通過定時(shí)器根據(jù)所需產(chǎn)生脈沖信號的頻率和占空比設(shè)定定時(shí)時(shí)長,驅(qū)動IO端口輸出高低電平,以產(chǎn)生所需的脈沖信號:

(6)

式中,F為脈沖信號的頻率,T為定時(shí)器定時(shí)時(shí)長。

(7)

式中,D為脈沖信號的占空比,To為脈沖信號高電平定時(shí)時(shí)長。

圖3　單雙極性變換電路

由于單片機(jī)IO輸出的電壓為5V,本文要求帶負(fù)載600Ω時(shí)輸出達(dá)3V,故采用電阻分壓,再通過射極跟隨電路,以達(dá)到要求,分壓和射極跟隨電路見圖4[9]。

圖4　分壓和射極跟隨電路

1.4信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

DDS采用全數(shù)字技術(shù),因而不可避免會存在雜散干擾,需要進(jìn)行電路濾波。課題要求輸出的正弦信號頻率為20Hz～20kHz,帶負(fù)載600Ω的情況下輸出幅度為3V,因此濾波器的0.1dB增益平坦區(qū)至少要到20kHz,采用截止頻率為100kHz的二階有源濾波器電路符合要求。為了獲得更好的頻率特性曲線,在濾波這一級取增益為2,這樣也可以降低后級放大器的放大倍數(shù),于是增益帶寬為20MHz。AD公司的AD811集成運(yùn)算放大器,當(dāng)增益為+2時(shí)-3dB帶寬為120MHz,電壓擺率為2 500V/μs,完全滿足要求。具體設(shè)計(jì)的100kHz低通濾波電路見圖5。

1.5軟件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,本文采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法,將系統(tǒng)軟件劃分為:人機(jī)對話、正弦信號、脈沖信號3個(gè)模塊。全部原代碼均使用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫,并附帶有詳細(xì)的注釋,增加了本系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性。主程序流程見圖6[10-12]。

圖5　100 kHz低通濾波電路

圖6　系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)框圖

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1技術(shù)指標(biāo)

本文要求設(shè)計(jì)完成一個(gè)輸出信號頻率可調(diào)的高精度信號源,設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:(1)信號頻率為20Hz～20kHz步進(jìn)調(diào)整,步長為5Hz；(2)在負(fù)載600Ω時(shí),輸出幅度為3V;(3)對于正弦波信號源要求輸出信號頻率穩(wěn)定度小于10-4,非線性失真度小于3%;(4)對于脈沖波信號源要求上升和下降時(shí)間小于1μS,平頂降落小于5%,脈沖占空比2%～98%步進(jìn)可調(diào),步長為2%。

2.2測量結(jié)果及分析

2.2.1正弦波測量

具體測量方法:第1次測量時(shí)將輸出端開路,設(shè)置不同的頻率,對正弦波輸出的信號頻率和峰-峰值進(jìn)行測量；第2次測量時(shí)在輸出端接600Ω電阻,設(shè)置不同的頻率,對正弦波輸出的信號頻率和峰-峰值進(jìn)行測量。由于示波器探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),所有峰值數(shù)據(jù)都是使用示波器探頭衰減10倍后測量得到的。正弦波信號源的測量數(shù)據(jù)見表1，表中f設(shè)為設(shè)置頻率，f測為實(shí)測頻率，Vpp為電壓峰-峰值。

表1　正弦波信號源測試結(jié)果

由表1可見:DDS輸出頻率精度很高,與晶振的穩(wěn)定度(10-6)在同一數(shù)量級;輸出頻率的范圍達(dá)到20Hz～20kHz,完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。圖7所示的波形分別為頻率為100Hz和10kHz的正弦實(shí)驗(yàn)波形,從圖7很清楚看出輸出的波形無失真,完全滿足正弦波信號源的要求。

圖7　正弦波實(shí)驗(yàn)波形

2.2.2脈沖波測量

具體測量方法:第1次測量時(shí)將輸出端開路,設(shè)置不同的頻率,對脈沖波輸出的信號頻率和幅度進(jìn)行測量;第2次測量時(shí)在輸出端接600Ω電阻,設(shè)置不同的頻率,對脈沖波輸出的信號頻率和幅度進(jìn)行測量,測量數(shù)據(jù)見表2。

表2　脈沖波測試結(jié)果

表2(續(xù))

由表2可見,通過單片機(jī)IO口輸出脈沖波的頻率精度很高,與晶振的穩(wěn)定度(10-6)在同一數(shù)量級；輸出頻率的范圍達(dá)到20Hz～20kHz,完全滿足設(shè)計(jì)要求。圖8所示的波形分別為頻率為100Hz和10kHz的脈沖實(shí)驗(yàn)波形,從圖8很清楚看出輸出的波形無明顯的失真,可以滿足脈沖信號波形的要求。

圖8　脈沖波實(shí)驗(yàn)波形

3　結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)控信號源采用DDS芯片AD9851作為頻率源,大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的性能和可靠性,同時(shí)也降低了成本；采用AT89S52單片機(jī)作為處理器,可以大大提高處理速度和系統(tǒng)控制的靈活性。系統(tǒng)采用鍵盤和LCD作為人機(jī)對話窗口,具有良好的人機(jī)界面,并能實(shí)時(shí)顯示輸出信號的相關(guān)參數(shù),方便操作,具有設(shè)計(jì)新穎、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高等特點(diǎn),在高校電工電子實(shí)驗(yàn)室有很大的應(yīng)用前景。

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Designandrealizationofsimplenumericalcontrolsignalsource

LiYiming1,3,RongJun2,3,YanQuanfeng1,3,PengJin1,3,DengBin1,3

(1.SchoolofComputer,HunanInstituteofScienceandTechnology,Yueyang404006,China; 2.SchoolofInformationandCommunicationEngineering,HunanInstituteofScienceandTechnology,Yueyang404006,China; 3.KeyLaboratoryofLightweightandReliabilityTechnologyforEngineeringVehicle,CollegeofHunanProvince,Changsha410014,China)

Asignalsourcesystemisdesigned,whichcanproducedifferentfrequencysinewaveandpulsewavesignal.Thesystemcanoutput10Hz～20kHzsignalwithhigh-precisionandhighstabilityfrequency,andtheevennessofsignalwithintherangeof10MHzislowto0.1dBdegree,andthefrequencystepissetby5Hzfrequency.ThesystemusesDDSchipAD9851asthecorecomponentofthefrequencysource,andusesAT89S52singlechipmicrocomputerasthecontrolcenterofthesystem,andalsoChinesemenu-styleoperationplaysanimportantroletogiveafriendlyinterfaceinthesystem.Finally,theexperimentalresultsshowthatthesystemhashighfrequencystability,highaccuracyandsimpleoperation,anditcanmeettherequirementsofgeneralexperimentsintheelectricalandelectroniclaboratoriesofcollegesanduniversities.

signalsource;digitalcontrol;directdigitalfrequencysynthesis;frequencyresolution

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.025

2016-01-28修改日期：2016-03-01

湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目“工程車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)”(2014kfjj01，KF1608)；湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C0620，15C0622)

李一鳴(1979— )，女，湖南岳陽，碩士，講師，主要從事計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)研究

榮軍(1978—)，男，湖南岳陽，碩士，講師，主要從事開關(guān)電源及電機(jī)控制技術(shù)研究.

E-mail：rj1219@163.com

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1002-4956(2016)7-0104-05