基于AD9833的高精度函數信號發生器的設計

申慶華

（桂林理工大學信息科學與工程學院，廣西桂林，541006）

0 引言

函數信號發生器是一種基本電子測試設備，廣泛應用于高校教學、測量控制、通信系統、電子測量等多個領域。隨著電子技術的發展，對信號發生器的性能要求也日益提高[1]。本設計采用專用直接數字合成DDS 芯片設計函數信號發生器。DDS 器件采用了高速數字電路和高速D/A 轉換技術,具有頻率轉換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續、穩定度高、可編程、全數字化等特點。DDS 芯片有很多種,由于AD9833 具有功耗小(20mW)、外圍電路簡單、引腳少、可編程,通過編程能夠產生正弦波、三角波、方波三種波形,輸出頻率從0～12.5MHz 連續可調,信號頻率分辨率可達到0.1Hz,因此系統選用AD9833 作為波形發生器件[2]。

1 硬件設計

本設計采用STC12C5A60S2 單片機為控制核心,對AD9833 進行控制和配置。通過按鍵可以直接輸入信號頻率和幅值,以及進行波形類型切換,使用非常方便。AD9833 輸出的電壓只有3V,而實際使用中需要波形的電壓往往更大,因此還需要進行電壓放大。本設計用放大電路AD8397 來放大電壓達到在0.1V 到5V 之間可調，這樣就得到較大功率的信號。同時通過LCD 顯示器顯示各個參數指標。系統硬件框圖如圖1 示。

1.1 STC12C5A60S2 單片機

STC12C5A60S2 是新一代8051 單片機，內含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數據存儲器（SRAM）、定時/計數器、UART 串口、高速A/D 轉換、SPI 接口等模塊。支持串口程序的燒寫，對開發單片機的設備要求比較低，時間也相對縮短，性價比高。本單片機最小系統時鐘電路使用晶振11.0593MHz，電容選取20pf的電容。因函數信號發生器需要持續性輸出波形，不需經常復位，此最小系統電路沒有專門畫出復位電路。

1.2 AD9833 芯片

AD9833 是一款高精度、功耗低、結構簡單和體積小且具有串行接口功能的DDS 芯片，由ADI 公司生產。它的輸出信號的控制比如頻率和相位可以通過編程控制實現。其引腳圖如圖2 所示。

圖2 AD9833 引腳圖

AD9833 芯片電源電壓范圍是2.3V～5.5V，通過VOUT 引腳輸出波形。SDATA 輸入時，FSYNC 必須為低電平，16 個SCLK下降沿后數據送到AD9833的移位寄存器中，加載數據位。AD9833 芯片輸出的波形取決于控制器寄存器中的控制位OPBITEN(D5)和Mode(D1)。如果AD9833 控制寄存器中的內容需要改變的時候，D15、D14 位置低電平。寫相位寄存器的時候D15、D14 都置高電平，D13 指定哪個相位寄存器寫入。控制位功能表如表1 所示。

要把一個字寫進頻率寄存器需要兩次寫操作，這時需令B28=1，先輸入低14 位，再輸入高14 位；當B28=0 時，兩邊可當做14 位來操作，由HLB(D12)位指定來改變哪個14位,HLB=1 高14 位，HLB=0 低14 位。Fselect (D11) 指 定是FREQ0 還是FREQ1 用于頻率寄存器的輸出。Pselect(D10)位指定是PHASE0 還是PHASE1 數據加入相位累加器的輸出。RESET=1，重設；RESET=0，禁止。OPBITEN(D5)位與MODE(D1)有關，控制VOUT 輸出。DIV2(D3)與D5 有關，D3=1，DAC 數據的MSB 直接輸出VOUT，D3=0,VOUT 輸出MSB/2。MODE(D1)與D5 一起使用，具體使用方法如下表2 所示。

1.3 放大電路設計

要求輸出電壓最大為5V，而VOUT 輸出電壓還不能滿足要求，要對輸出信號進行放大，從而滿足對電壓的要求。于是在AD9833芯片10腳VOUT后接一個放大電路，以實現電壓在0.1V到5V之間可調。放大電路采用的是AD8397芯片，AD8397 是 高輸出電流雙運算放大器，可以有310mA的輸出電流。由AD8397 和一些電阻組成同相比例運算電路，同相輸入端接信號Vin，反相輸入端通過電 阻R4 接 地，Vout 與Vin同相，根據“虛短”和“虛斷”：

可 得：Vout=（1+R3/R1）U-=（1+R3/R4）Vin

R3=10K，R4=10K，所以Vout=2 Vin，所以該放大電路放大2 倍。

1.4 總體電路設計

顯示器件用LCD1602，使用spi 和單片機通信，三線串行通信選用端口CS、SDA、SCK 用于傳送數據及指令。根據前面的控制單元和AD9833 芯片、放大電路，再加上LCD1602 顯示，得到本信號發生器的總體電路設計如圖3 所示。

圖3 總體電路設計

2 軟件設計

主程序首先從定義初始變量開始，初始化之后開始掃描鍵盤。單片機掃描鍵盤，如果鍵盤有按下的動作，再根據指令來調用指定的子程序。主程序流程圖如圖4 所示。

函數信號發生子程序是初始化之后，根據鍵盤的動作，由單片機控制寫入數據、指令送到AD9833 芯片中，從而調用信號芯片中的指定模塊，完成指定信號的輸出。函數信號發生子程序流程圖如圖5 所示。

圖5 函數信號發生子程序流程圖

3 實驗結果與分析

在實驗室用數字示波器對本系統輸出波形進行了測試，在0～2MHz 范圍內波形光滑、理想,當輸出波形頻率超過2MHz 時波形就開始發生畸變、出現毛刺。在0～2MHz 范圍內頻率穩定度非常好，在表3 中可看出頻率誤差小于0.1Hz。電壓數據記錄分析如表4 所示，在輸出頻率1KHz 不改變的情況下，測量輸出的電壓的峰峰值，可見電壓輸出正常，誤差小于5%。

表3 輸出頻率測試數據表

表4 輸出電壓測試數據表

4 結束語

本文對基于DDS 芯片AD9833的函數信號發生器的方案進行了分析并設計了硬件、軟件相結合的實現電路，該方案具有高精度、高性價比，性能穩定，使用方便等特點，可以很容易實現波形切換和頻率、電壓的設定。信號的頻率可在1Hz～2MHz 內連續可調，頻率誤差小于1Hz。電壓在0～5V 內連續可調，符合設計要求。

該函數信號發生器不但可以滿足日常教學的需要，還可以用于生產實踐，滿足對于高精度信號源的需要，具有一定的應用前景。