基于DDS的多路任意波形發生器的設計與實現

韋曉璐，任青蓮

（太原科技大學 電子信息工程學院，山西 太原 030024）

任意波形發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，是任意波形發生器研究的一個重要方向。本項目從工程應用角度出發，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、性能優良的多路任意信號發生器。并且通過PC機與單片機之間的串行通訊、數據的發送和接收，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，從而讓任意波形發生器可為用戶最大限度地提供最方便有效的測試環境。

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。

圖1 系統原理圖Fig.1 The principle diagram of the system

2 信號發生器的硬件設計

2.1 信號發生器電源設計

如圖2所示的電源設計，信號發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穩壓芯片，將電壓轉換成3.3 V來為AD9854和單片機供電。由于AD9854電源有數字電源和模擬電源部分，需要分開進行供電，因而需要兩個穩壓模塊來給AD9854這兩部分進行供電。

圖2 電源模塊電路Fig.2 Power supply module circuit

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AD9854，由AD9854產生頻率幅度可控的信號。還可以通過PC機上的DDS波形發生器上位機發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一個低通濾波器。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：

圖3 濾波電路Fig.3 filter circuit

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。

表1 元件值表Tab.1 Element value table

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波形發生器上位機給單片機發送命令來控制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 信號發生器硬件實現

3.1 印刷電路板設計

圖4 DDS波形發生器上位機Fig.4 DDSwaveform generator PC

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則。混合信號電路PCB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%，穩定度可以達到10－4，基本滿足要求。

圖5 f=20MHz的正弦波Fig.5 f=20MHz waveform

圖6 所示為掃頻信號某一瞬間圖形圖，掃頻范圍為500Hz～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100 kHz，調制信號頻率為1kHz，從圖中可以看出頻率切換時波形的相位是連續的。

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，性能優良的信號發生器。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。

圖6 掃頻信號（掃頻范圍為500～10000Hz）Fig.6 Sweep frequency signal waveform（500～10000HZ）

圖7 FSK調制波形Fig.7 FSK waveform

[1]王景波.MCW雷達信號源的設計[D].西安：西安理工大學，2011.

[2]劉祿祿.DDS的高性能雷達信號發生器的設計和實現[D].西安：西安電子科技大學，2009.

[3]楊蕊.DDS技術的使用信號源的設計[D].武漢：華中師范大學，2012.

[4]Analog Devices Integrated Productss.AD9854 Datasheet[EB/OL].（2007）..http://www.analog.com.

[5]森榮二，薛培鼎.濾波器設計與制作[M].北京：科學出版社，2006.

[6]Douding.用DDS產生各種波形程序集[EB/OL].（2010－06－05）http://www.docin.com/p－33835126.html.

[7]戶川治朗，高玉蘋，譯.用電源電路設計[M].北京：科學出版社，2006.

[8]邱仲潘，宋智軍.isual Basic 2010從入門到精通[M].北京：電子工業出版社，2011.

[9]李平，周原.基于GA和DDS技術的信號發生器設計[J].電子設計工程，2014（10）:71－74.LI Ping，ZHOU Yuan.Design of signal generator based on FPGA and DDS technology[J].Electronic Engineering Design，2014（10）:71－74.