基于DDS的多路任意波形發(fā)生器的設計與實現
摘要:本文采用單片機控制DDS專用芯片(AD9854)設計了信號發(fā)生器。以AD9854芯片為核心,詳細分析了該信號發(fā)生器的系統結構、軟硬件設計和具體電路實現,并介紹了使用單片機STC12LE5A56S2對AD9854的控制方法。信號發(fā)生器利用計算機串口通信技術,使用上位機通過串口對下位機控制,通過人機交互的控制方法產生正弦單頻信號、掃頻信號、FSK調制信號等波形。本信號發(fā)生器的優(yōu)點是硬件電路簡單,軟件功能完善,人機界面友好,控制方便,性價比較高等特點,具有一定的使用和參考價值。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/307271.htm任意波形發(fā)生器是一種常用信號源,是現代電子測試領域內應用最為廣泛的常用儀器之一,廣泛用于電子電路、通信、雷達、導航、宇航等領域。輸出信號的靈活性使之成為系統綜合測試中不可缺少的組成部分。
直接數字頻率合成(DDS)技術采用全數字的合成方法,其主要優(yōu)點是體積小、功耗小、成本低且易于程控,輸出相位噪聲低和可以產生任意波形等,是任意波形發(fā)生器研究的一個重要方向。本項目從工程應用角度出發(fā),深入研究基于單片機系統、以DDS技術為核心的一種結構簡單、性能優(yōu)良的多路任意信號發(fā)生器。并且通過PC機與單片機之間的串行通訊、數據的發(fā)送和接收,實現上位機方便快捷地控制產生需要的波形。在Windows系統下利用Visual Basic語言編寫上位機控制軟件,可實現PC機與單片機之間的通訊及控制電路,操作簡單方便,從而讓任意波形發(fā)生器可為用戶最大限度地提供最方便有效的測試環(huán)境。
1 系統原理
系統結構組成如圖1所示,主要由單片機控制模塊、鍵盤與液晶顯示模塊、數字合成模塊、濾波模塊、DDS波形發(fā)生器上位機模塊組成。其中,信號產生由單片機控制模塊和數字合成模塊實現,鍵盤與液晶顯示模塊以及DDS波形發(fā)生器上位機模塊則用來實現人機交互的功能,濾波模塊用來對信號進行后期處理。對于波形的控制有兩種途徑,一種是用戶從儀器面板上通過按鍵輸入命令,其命令的內容將顯示在液晶屏幕上,并將命令傳輸到單片機,再由單片機控制DDS芯片輸出信號,并通過后級信號調理電路,最后輸出所需的信號;另一種是利用上位機通過串口通信對下位機的控制,下位機的單片機再控制液晶顯示以及DDS芯片的工作。兩種方法可以同時使用,靈活地通過控制單片機,來控制DDS芯片產生相應波形。
2 信號發(fā)生器的硬件設計
2.1 信號發(fā)生器電源設計
如圖2所示的電源設計,信號發(fā)生器的電源模塊需要從外部提供5 V的電源,根據AD9854的參考資料可知AD9854電源供電是3.3 V,單片機STC12LE5A56S2所需電壓也為3.3 V,兩者之間就不需要進行電平轉換,從而精簡了一大部分電路,只需接入5 V外部電源,再通過117_3.3 V穩(wěn)壓芯片,將電壓轉換成3.3 V來為AD9854和單片機供電。由于AD98 54電源有數字電源和模擬電源部分,需要分開進行供電,因而需要兩個穩(wěn)壓模塊來給AD9854這兩部分進行供電。
2.2 信號產生的設計與實現
信號的產生與控制部分電路由單片機STC12LE5A56S2與DDS芯片AD9854組成,用戶通過鍵盤輸入的信號被STC12LE5A56S2接收,并經其處理后將計算出的控制字傳送給AD985 4,由AD9854產生頻率幅度可控的信號。還可以通過PC機上的DDS波形發(fā)生器上位機發(fā)送命令來控制單片機來選擇AD9854的工作模式,在其模式下,完成相應的命令并輸出波形。
AD9854的內部沒有濾波器,因此需在其信號輸出端接~個低通濾波器。濾波器的設計如圖3所示。
系統設定最高60MHz時能夠最低程度的降低AD9854內部系統時鐘200MHz的干擾,采用了具有較窄過渡帶特性的橢圓濾波器。查找橢圓濾波器LC元件值表得出歸一化的元件值,然后再轉化為去歸一化的元件值便是本文所用濾波器中的元件值。去歸一化公式為:
其中,L’、C’為去歸一化的元件值,fFS為頻率標度系數,可以直接用2πfc表示。Z為阻抗標度系數,即Z=50。代入計算后各個元件值如表1所示。
2.3 人機交互電路設計
人機交互電路以單片機STC12LE5A56S2為核心,通過其控制液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊以及與PC機進行串口通信。通過鍵盤輸入命令給單片機 STC12LE5A56S2,從而來控制AD9854芯片工作,選擇相應的工作模式。也可以通過串口利用PC機上的DDS波形發(fā)生器上位機給單片機發(fā)送命令來控制AD9854芯片相關工作。如圖4所示為在PC機上的DDS波形發(fā)生器上位機,單片機STC12LE5A56S2具有串口通信的功能,使用時需連上其對應管腳,打開串口,直接修改上位機內所想要修改的參數,即能控制單片機發(fā)送命令來控制DDS芯片工作。此上位機可修改當前模式下的頻率相關參數以及掃頻控制。該上位機軟件還可以根據需要進行功能擴展。
3 信號發(fā)生器硬件實現
3.1 印刷電路板設計
整個系統所用的元器件都安排在一塊印刷電路板(PCB)上,芯片既有直插式,也有貼片式,采用手動布局,布線采用最短路徑規(guī)則?;旌闲盘栯娐稰CB的設計很復雜,元器件的布局、布線以及電源和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能。本板采用雙面走線,所以兩面的線盡量垂直,以防止總線間的電磁串擾。系統既有數字器件又有模擬器件,器件的布局上,遵循數字器件和模擬器件分開擺放,輸出模擬信號線最短輸出、輸入模擬信號線最短輸入、模擬器件的模擬地以最短距離到地的原則。
3.2 測試結果
下列圖形是本設計產生的幾種波形,測量儀器為固緯示波器,型號為GDS-2000A-CN。
本設計所產生的正弦波的頻率范圍是2 Hz~60 MHz,圖5所示為頻率為20 MHz的正弦波。從波形可以看出頻率準確度可以達到0.0005%,穩(wěn)定度可以達到10—4,基本滿足要求。
圖6所示為掃頻信號某一瞬間圖形圖,掃頻范圍為500 Hz~10 000 Hz,掃頻步長為150 Hz。
圖7所示為FSK調制信號,載波頻率為100kHz,調制信號頻率為1 kHz,從圖中可以看出頻率切換時波形的相位是連續(xù)的。
4 結論
本文采用DDS芯片AD9854為信號產生芯片,單片機STC12LE5A56S2為控制器,外接IO器件,配合上位機的使用,實現人機交互控制的方法,設計出一種結構簡便,性能優(yōu)良的信號發(fā)生器。能夠極大方便地在上位機上輸入參數以控制產生各種需要的波形。
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