正弦信號發生器的設計與研制

劉榮章　廣東省機械技師學院　廣州　510450

?

正弦信號發生器的設計與研制

劉榮章廣東省機械技師學院廣州510450

【文章摘要】

本文設計了一款新型的簡易正弦信號發生器。利用DDS合成技術，以ATmega16為控制中心，通過外部矩陣按鍵，可以在一定范圍內產生任意頻率的正弦波信號，由于DDS集成芯片產生的正弦信號幅值比較小，再利用AD827芯片把正弦波信號進行放大。該正弦信號發生器產生的信號不僅精度高，調節范圍大，而且產生的波形溫度，干擾少，能滿足各種場合的要求。

【關鍵詞】

新型；DDS；正弦波；精度高；干擾少

0　引言

正弦波是頻率成分最為單一的一種信號，因這種信號的波形是數學上的正弦曲線而得名。任何復雜信號——例如音樂信號，都可以看成由許許多多頻率不同、大小不等的正弦波復合而成。由于不同的波形，通過傅里葉變換，都可以變換成由各種頻率和幅值的正弦波，所以正弦波在信息傳輸等領域有著重要的作用，通過產生正弦波來研究和分析其主要的參數特征具有很重要的意義。

1　系統總體設計框圖

系統的總結設計框圖如圖1.1所示，以ATmege16位核心，外接矩陣按鈕和LCD顯示電路，采用專用的DDS芯片AD9850產生正弦波。AD9850是采用DDS技術、高度集成化的器件，當它在并行工作方式時，有8根數據線、3根控制線與單片機相連。 芯片AD9850產生的信號再通過信號放大器AD827把幅值放大到要求的電壓幅值。

圖1.1　系統框圖

2　硬件電路的設計

2.1單片機最小系統

ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16 的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU） 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數據吞吐率。

Atmege16只需要加上復位電路就可以構成一個單片機最小系統，但是如果使用外部晶振，則還需要晶振電路。

2.2DDS集成芯片AD9850

（1）AD9850芯片簡介

AD9850采用先進的DDS技術，在內部集成了32位相位累加器、14 位正/余弦查詢表和高性能的10 位 D / A轉換器以及一個高速比較器。通過并口或串口寫入的頻率控制字來設定相位累加器的步長大小，相位累加器輸出的數字相位通過查找正/余弦查詢表得到所需頻率信號的采樣值，然后通過D / A變換，輸出所需頻率的正弦波信號。還可以通過高速比較器將該正弦波信號轉換成方波，作為時鐘信號輸出。

另外AD9850還包含40位頻率/相位控制字，可通過并行或串行方式送入器件：并行方式指連續輸入5次，每次同時輸入8位（1個字節）;串行方式則是在一個管腳完成40位串行數據流的輸入。這40位控制字中有32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于掉電控制，2位用于選擇工作方式。

（2）AD9850模塊電路的設計

系統采用并行輸入的方式來實現其功能。AD9850控制簡單，可用8 位并行口直接輸入頻率、相位等控制數據。

圖2.1　AD9850模塊電路及放大電路

在并行輸入方式下，通過8位總線D0～D7將外部控制字輸入到寄存器，在WCLK（字輸入時鐘）的上升沿裝入第一個字節，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續5個W - CLK的上升沿讀入5個字節數據到輸入寄存器后，W-CLK的邊沿就不再起作用。然后在FQ - UD（頻率更新時鐘）上升沿到來時將這40位數據從輸入寄存器裝入到頻率/相位寄存器，這時DDS輸出頻率和相位更新一次，同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器以等待下一次的頻率/相位控制字輸入。

AD9850模塊電路圖如圖2.1所示。

2.3輸出放大電路AD827

由于DDS集成芯片產生的正弦信號幅值一般都比較小，為了達到輸出端帶上50Ω電阻時輸出端的電壓峰-峰值Vopp≥1V的要求，在DDS模塊的輸出端接上一級放大電路。為了使系統輸出的信號最高頻率為15MHz，所用到的運放的帶寬必須很寬。選用的是寬帶的高速運放AD827，其內部集成了兩個運放（AD827）。電路圖如圖2.1所示。為了消除高次諧波，在放大電路前加入了一級低通濾波電路,其截至頻率在20MHz左右。輸出信號經過濾波后送到放大電路，通過調節電位器可以得到符合要求的電壓幅值。為了提高電路帶負載能力后接了一個電壓跟隨器。

2.4鍵盤設置輸入

2.4.1步進100Hz的按鍵輸入

頻率的設置上我們采用了兩種頻率輸入方式，第一種是在固定的初始頻率下，采用步進100Hz的方法設置兩個按鍵（UP、 DOWM）。

2.4.2矩陣鍵盤頻率設置輸入

矩陣鍵盤頻率設置輸入是第二種頻率輸入方式，它可以隨意設置輸入頻率的大小，減少對單片機IO口的占用，使用靈活，方便。

2.5LCD1602顯示輸出

本設計采用點陣字符型液晶顯示器LCD1602，分辨率較高，顯示范圍較廣，同時支持數字和字符顯示。液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富等特點，現在字符型液晶顯示模塊已經是單片機應用設計中最常用的信息顯示器件了。1602通用型液晶模塊可以顯示2行16個字符，有8位數據總線D0-D7，和RS、R/W、EN三個控制端口，工作電壓為5V，并且帶有字符對比度調節和背光。

2.6電源的設計

由于采用外部開關電源，所以只需要設置電源的接口，在設置電源接口時增加了指示燈和濾波電容，在電源入口處并聯了一個0.01uF小電容和一個220uF的大電容，這樣可以濾除低頻和高頻信號的干擾，使電源的電壓更加穩定和可靠。

3　軟件設計

軟件的總體設計流程圖如圖3.1所示，系統通過讀取外部按鈕設定的頻率值，然后單片機輸出特定的指令配置AD9850，最后輸出要求頻率和幅值的正弦波形。

圖3.1　軟件設計流程圖

4　結論

本文通過利用DDS這種先進的頻率合成技術，設計了一個正弦信號發生器，該信號發生器以單片機Atmege16為核心，外加矩陣按鈕和AD9850芯片電路構成的，能夠在一定范圍內隨意設定輸出頻率，滿足了很多場合的需求。通過實驗測試驗證，系統的頻率精度高，輸出頻率范圍廣、穩定，便于攜帶和使用。