簡易DDS信號發生器設計與研究

蘇州工業園區工業技術學校 謝留婉

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簡易DDS信號發生器設計與研究

蘇州工業園區工業技術學校 謝留婉

【摘要】本文介紹了一種基于STC12C5A60S2單片機為核心，結合8位并口輸入/輸出的28C64存儲器及D/A轉換的DDS合成技術的設計方案。主要通過存儲器存儲波形數據，單片機控制存儲器，按照一定的方式，對指定存儲器區域的波形數按照順序循環輸出給D/A轉換電路，再通過集成運算放大器進行信號放大，在輸出級使用增益可控精密信號放大器，實現指定的波形輸出。本設計的DDS信號發生器，除了可以選擇不同類型的波形輸出，而且還可做到精確控制其輸出的頻率和幅度。

【關鍵詞】DDS；信號發生器；設計；28C64；STC12C5A60S2

1　引言

直接數字頻率合成（DDS）技術是一種新型的頻率合成技術，具有較高的頻率分辨率，可以實現快速的頻率切換，并且在改變時能保持相位的連續，在波形的控制方面實現連續的可調［1］。因此，在現代電子系統及設備的頻率源設計中，其應用越來越廣泛。

信號發生器同時也是電子工程師在電子產品研發、電路功能調試時的必備工具。而采用直接數字頻率合成型（DDS）技術的數字型信號發生器設計方案，與純硬件電路設計的信號發生器相比，具有高精度、高可靠性、操作方便、價格便宜、智能化等特點，是智能化儀器的一個發展方向，具有一定的很高的實用價值。

2　系統設計方案

本系統設計思路是采用基于STC12C5A60S2型單片機作為控制核心，通過單片機分析計算產生需要的任意波形數據，存儲到28C64存儲器中，然后控制存儲器按照一定的方式輸出波形數據給D/A轉換電路，最后通過集成運算放大器進行信號放大，實現指定的波形輸出。為了提高系統的實用性和一定的性價比，本系統設計技術指標定為：可任意選擇輸出三種常規類型（正弦波、方波、三角波），輸出頻率可調0～3000Hz，幅度可調0～5.00V，精度頻率誤差±0.1%，幅度誤差1%，矩形波占空比可調，為了能實現任意波形輸出，提高信號發生器的功能拓展，預留串口485接口可輸入任意波形數據，實現任意波形輸出。以下將根據技術指標，介紹具體器件選型、硬件電路設計、軟件設計等方案。

2.1硬件電路設計

2.1.1STC12C5A60S2芯片簡介［2］

STC12C5A60S2是STC發布的一款時鐘周期為1T的單片機，是加強型的51單片機，能夠兼容原來的傳統51內核，時鐘速度是傳統51型單片機的12倍。內部集成了上電復位芯片，兩路PWM輸出，10位 A/D轉換輸出，可以對直接驅動電機實現控制，擁有超強的抗干擾能力。

2.1.2存儲器AT28C64簡介［3］

AT28C64是一種采用CMOS工藝制成的8K×8位28引腳的可用電擦除可編程存儲器E2PROM。其讀寫像SRAM操作一樣，不需要外加任何元器件。ATMEL愛特梅爾公司的AT28C64的頁寄存器為64B。目前一般一個字節的接除和寫訪問時間為200B或1M，而最大頁寫入周期（包括擦除和寫入）時間不超過10ms。

2.1.3D/A轉換器DAC0832簡介［4］

DAC0832是CMOS工藝制造的8位D/A轉換器，屬于8位電流輸出型D/A轉換器，轉換時間為1us，片內帶輸入數字鎖存器。DAC0832與單片機接成數據直接寫入方式，當單片機把一個數據寫入DAC寄存器時，DAC0832的輸出模擬電壓信號隨之對應變化。

2.1.4硬件電路組成

根據設計功能要求及技術指標要求，系統設計采用STC系列單片機STC12C5A60S2為核心，采用數字合成技術利用單片機直接產生波形數據，對于規則波形（正弦波、三角波、方波等）可預先使用存儲器存儲波形數據，通過單片機控制讀取存儲器地址區域，控制輸出不同類型的波形數據，同時還可通過485串口輸入特殊波形數據，實現特殊波形輸出，單片機控制將數字量數據通過D/A轉換電路，轉換為對應波形模擬量信號，考慮到輸出信號有足夠的幅度和精度，在輸出級配置高精度信號放大電路。設計系統硬件電路由開關電源電路、單片機控制電路、存儲器模塊、D/A轉換電路、精密信號放大電路、TTL信號驅動輸出電路、LCD液晶模塊、矩陣鍵盤、485通訊接口等組成。系統結構圖如圖1所示。

圖1　系統硬件結構圖

硬件電路主要功能模塊介紹：

單片機控制模塊：采用STC12C5A60S2型單片機，主要控制各功能模塊電路協同工作。如：驅動LCD顯示波形輸出狀態、參數設置窗口等信息；讀取矩陣鍵盤鍵碼進行波形參數設置；判斷波形輸出類型選擇讀取存儲器中的波形數據；控制D/A轉換輸出波形的模擬量信號；控制精密信號放大器放大增益等。

LCD顯示電路：采用LCM12864點陣液晶顯示器，便于實現準確走時。為系統檢測出現危險溫度時提高可靠時間依據。

存儲器：采用AT28C64存儲芯片，它是一種E2PROM存儲器，可以對波形數據進行保存，且能做到掉電保護，在波形信號輸出階段，通過單片機控制其指定的存儲區域，將對應的波形數據按照順序輸出給D/A轉換電路。

D/A轉換模塊：采用DAC0832芯片的八位D/A轉換，其具有并行輸入、轉換速度快、帶輸入緩存等特點，主要負責將存儲器中輸出的數字量波形數據轉換成對應的模擬量信號，以產生連續的信號波形。

485串口通訊接口：實現特殊波形輸出，主要是對需要特殊形式的波形，通過串口直接將波形數據輸入到系統中。為系統提供功能拓展，提供信號產生的多樣性，以使系統能應用到更多的場合。

精密信號放大器：主要負責將D/A轉換出的波形信號進行線性放大，并能準確控制放大增益，使輸出信號的幅度與設置的信號輸出幅度保持一致。

2.2軟件設計

系統軟件設計，主要目的是使單片機芯片能實現控制硬件電路各部件協同工作，以實現系統設計的功能要求，如：波形參數設置、波形顯示、波形輸出等功能。軟件設計思路是，程序一開始先對各相關功能模塊進行初始化；控制LCD顯示波形參數設置界面；接著程序開始鍵盤檢測，判讀是否在進行波形參數設置設定，根據當前設定參數確定輸出波形類型、信號輸出幅度；系統當前開始判斷是否被設置為開啟波形輸出允許狀態，若未開啟輸出，則系統繼續循環重新檢測按鍵狀態，反之，則根據設定的波形輸出類型確定訪問存儲器地址區域，同時采用定時器中斷方法控制存儲器輸出的波形數據按照設置的頻率循環輸出；開啟D/A轉換，將數據通過D/A轉換為平滑的模擬量波形信號輸出。

具體軟件流程圖如圖2所示：

圖2　軟件流程圖

預留串口通訊接口，實現接收上位機發送的特殊波形數據，將需要輸出特定的不規則波形，可將波形的數字量數據在上位機軟件上進行編輯，然后發送到系統中，系統在存儲器中劃分出專用的存儲區域進行存儲，并按照參數設置要求，循環輸出對應波形等。

為了提高輸出信號波形的完整性，規定了一個完整周期的波形數據為200個點，在控制信號輸出頻率是采用定時器定時中斷控制存儲器輸出波形數據，則輸出信號的頻率為f，則定時器的定時中斷時間為t=1/200f。對于矩形波信號輸出，可直接通過單片機的定時中斷方式輸出高低電平，響應速度更快、且占空比的控制可以直接在定時中斷過程中進行處理。

3　結束語

本設計介紹的簡易DDS信號發生器具有波形輸出精度高、頻率穩定、響應速度快、實用性強、擴展性靈活的特點。同時本DDS信號發生器除了能產生規則波形輸出如正弦波、三角波、矩形波等，而且還可以通過串口接收特殊波形數據，實現輸出特殊波形，基本實現任意波形而非輸出。大大提高了信號發生器的使用場合。

參考文獻

［1］邵正途，高玉良.DDS/FPGA在信號產生系統中的應用［J］.現代電子技術，2005，（1）82～84.

［2］STC12C5A60S2 DataSheet［Z］ . http：//www.stcmcu.com/.

［3］AT28C64 DataSheet［Z］.http：//www.atmel.com/.

［4］DAC0832 DataSheet［Z］.http：//www.national.com/.

作者簡介：

謝留婉（1984-），男，江蘇蘇州人，大學本科，蘇州工業園區工業技術學校講師。