基于LPC2132數(shù)字信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了基于LPC2132為主控芯片的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，分別采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)芯片和可編程邏輯器件(CPLD)產(chǎn)生正弦波、方波和三角波，并設(shè)計(jì)了模擬信號(hào)放大與增益控制電路。通過鍵盤可方便的切換不同信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了波形穩(wěn)定、精度較高、幅頻在規(guī)定范內(nèi)可調(diào)的新型數(shù)字信號(hào)源。
關(guān)鍵詞：LPC2132；數(shù)字信號(hào)源；DDS；CPLD

在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)飛速發(fā)展的今天，信號(hào)源作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的重要工具，其應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)信號(hào)源的頻率范圍、穩(wěn)定度、幅值與頻率微調(diào)等提出較高的要求，普通的信號(hào)源已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電子技術(shù)的要求，因此，低成本高精度信號(hào)源的設(shè)計(jì)，在高校教學(xué)和產(chǎn)品開發(fā)中的推廣使用具有非常重要的意義。本設(shè)計(jì)以PHILIPS公司生產(chǎn)的LPC2132微控制器為主控芯片，采用專用的直接數(shù)字合成(DDS)芯片AD9850產(chǎn)生正弦波和方波，的采用LPC2132+CPLD(EPM7128AETC100)方案產(chǎn)生三角波，設(shè)計(jì)了模擬信號(hào)放大與增益控制電路。可以實(shí)現(xiàn)多種波形輸出，輸出信號(hào)頻率和電壓峰-峰值步進(jìn)可調(diào)，是一款新型的數(shù)字可調(diào)信號(hào)源。

1 系統(tǒng)原理與硬件設(shè)計(jì)
信號(hào)源的硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。以單片機(jī)LPC2132為控制核心，主要由鍵盤與LCD顯示模塊、正弦波和方波發(fā)生模塊(DDS)、三角波發(fā)生模塊(CPLD與高速D／A)、增益控制和放大模塊組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是根據(jù)信號(hào)源連續(xù)可調(diào)多波形輸出的要求，采用MCU發(fā)送頻率控制字給DDS芯片AD9850來實(shí)現(xiàn)的正弦波和方波的連續(xù)輸出，而三角波的實(shí)現(xiàn)是由MCU發(fā)送頻率控制字給CPLD和D／A產(chǎn)生。同時(shí)，單片機(jī)可以控制模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇輸出波形，通過對(duì)放大驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)字電位器控制改變輸出增益。信號(hào)的類型、幅度和頻率的設(shè)置及顯示，由鍵盤和LED顯示器實(shí)現(xiàn)。

1．1 直接數(shù)字頻率合成的原理
直接數(shù)字合成技術(shù)DDS(Direct Digital Synthesizer)是應(yīng)用十分廣泛的頻率合成技術(shù)，用數(shù)字的方法獲得一個(gè)正弦信號(hào)原理如下：設(shè)單頻正弦信號(hào)表達(dá)式為：
Sout=Asinωt=Asin(2πfoutt) (1)
為了便于采用數(shù)字技術(shù)，對(duì)連續(xù)的正弦信號(hào)進(jìn)行離散化處理，即把相位和幅值均轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。用頻率為fclk的基準(zhǔn)時(shí)鐘對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行抽樣，在一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期Tclk內(nèi)，相位θ的變化量為：

上式表明，在基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)頻率fckl確定的情況下，輸出正弦信號(hào)的頻率值fckl決定于M的大小，且與M呈線性關(guān)系。M稱為頻率控制字，N為相位累加器字長(zhǎng)。當(dāng)M取1時(shí)，可以得到輸出最小頻率，即頻率分辨率為。
將相位轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以后，正弦信號(hào)描述為如下形式：

其中Mk-1指前一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期的相位值。
由此可知，只要用頻率控制字M進(jìn)行簡(jiǎn)單的累加運(yùn)算，就可以得到正弦函數(shù)的當(dāng)前相位值。而正弦信號(hào)的幅值就是當(dāng)前相位值的函數(shù)。獲得正弦信號(hào)的方法如圖2所示：先構(gòu)建一個(gè)N位的相位累加器，在每一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，將相位累加器中的值與頻率控制字相加，得到當(dāng)前相位值。將當(dāng)前相位值作為ROM的地址，讀出ROM中的正弦渡數(shù)據(jù)，再通過D／A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。只需改變頻率控制字，就可以一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接經(jīng)過比較器可轉(zhuǎn)換為方波輸出。