低成本數字低頻信號源設計

張開驍 宋建平 雷撼 胡利群

（1.河海大學理學院 江蘇省南京市 210098 2.濟南冠鼎信息科技有限公司 山東省濟南市 250000）

低頻信號源是一種最常用信號源，成本較低的產品一般由模擬電路構成，穩定度和精度都比較低，穩定度和精度高的數字式低頻信號源得成本都比較高，為了降低成本，論文給出在ATmega8[1]單片機和通用芯片的低成本硬件平臺上如何實現數字信號源優良技術指標的技術方案，主要是通過可預置數定時計數器與PLL 鎖相環技術實現頻率合成，基于通用EPROM 存儲器和DA 芯片的數字波形合成器工作原理和實施方案，介紹了如何充分利用ATmega8 單片機內部資源，給出了全部的電原理圖，元器件參數，論文還給出了符合使用習慣的人機界面設計以及電源、功放等外圍電路設計。

1 電路工作原理

整機電路由頻率合成電路、倍頻電路、數字波形合成電路、程控濾波電路、單片機人機界面和控制電路以及其它外圍電路組成，其電路原理框圖如圖1所示。電路的信號流程為：頻率合成電路產生步距為256Hz 的可調頻率信號T1，T1 經過倍頻電路進行X1、X5 和÷10 選擇，轉換成頻率為clk 的信號，作為波形存儲器的地址，送到數字波形合成電路，讀取存儲器中存儲的波形數據，經由DA轉換成模擬信號Aout，送到程控濾波器濾波后生成整機輸出信號。調整W1 和W2，可以改變輸出頻率，K1 可以改變輸出頻率范圍和調整步距，按鍵AJ1 可以改變輸出波形。輸出信號的幅值大小、頻率值和波形代碼可由每行16 字符、每字符5x8 點陣、共兩行的液晶顯示器顯示。整機用單12V 未穩壓直流供電，不進行功率放大時工作電流小于100 毫安。

圖1

采用PLL 鎖相環頻率合成器[2]方案，其原理框圖如圖2所示，在VCO 與Pc 之間設有由N 分頻器構成的反饋回路，把VCO 輸出的頻率為fVCO的信號進行N 分頻后得頻率為Ft 的信號送到相位比較器Pc 輸入端，Pc 的另一輸入端輸入頻率為fr 的標準信號，Pc 的輸出信號經低通濾波器LPF 濾波后變成直流電壓Vr 送到VCO 輸入端。

圖2

為了擴展輸出頻率范圍，設計了倍頻電路，電路如圖3所示。共設計有3 種倍頻方式：X1 直通方式、X5 方式和÷10 方式。當倍率開關K1 處于x1 位置時，T1 直接送到輸出端作為clk 信號；當K1 處于/10 位置，74HC390 工作于計數器狀態，FT1 經由U3 組成的10 分頻電路送到輸出端作為Fclk 信號信號；當K1 處于X5 位置，FT1 經由U1 和U2 組成的PLL 倍頻電路進行5 倍頻，由于工作頻率較高，U1 選用74HC4060[3]，元件參數也作相應調整，FT1 經5倍頻后作為clk 信號；改變K1 位置就可以獲得：在X1 位置時，輸出信號范圍10Hz～4000Hz，步距1Hz，有效數字5 位；在/10 位置時，輸出信號范圍10Hz～400Hz，步距0.1Hz；有效數字5 位；在X5 位置時，輸出信號范圍50Hz～20KHz，步距5Hz；有效數字5 位；通過K1b，K1 在不同位置時AD1 可以獲取整數為2V、1V、0V 電壓，作為程序判定K1 位置的變量，程序據此判定在液晶上的頻率顯示值和小數點位置。數字波形合成[4‐5]原理見圖4所示，電路實際電路如圖5所示。

圖3

圖4

圖5

本設計采用74HC393 作為8 級計數器，EPROM 存儲器2764作為波形存儲器，DAC0808 作為DA 轉換器件，這樣每周期可獲得256 個樣本點，幅值量化精度為1/28即<0.5%，既可以滿足大部分使用需要，又可以降低成本。此時有fin=fvco=256*N與f=fin/2m=256*N/2m，若m=8，則有f=N。即輸出頻率簡單地在數值上等于N 分頻器的分頻數，因此只要在TC1 的預置數寄存器OCR1A 中寫入N‐1，就獲得與N 值相等的輸出頻率。實際上2716、2732 均可使用，但鑒于性價比選用2764，其高2 位地址線A11、接地，每個存儲區域存放一張256 點的波形數據表格，單片機通過控制A8、A9、A10 達到輸出不同波形的目的，該控制信號由單片機端口PB2、PB4、PB5 輸出。程控濾波器一共提供4種濾波參數，通過模擬開關CD4052 切換不同濾波參數，濾波參數由R1～R8，C1～C8 決定，CD4052 控制信號由單片機端口PC4、PC5 輸出。單片機采用美國Atmel 公司AVR 系列8 位單片機ATmega8。基準電路采用TL431，VR=2.5V 的基準電壓，用于AD采樣基準和DA 輸出電路基準，VR 還提供W1、W2 電源，這樣做的好處是電位器最大電壓恒等于AD 基準電壓，理論上確保產品相互之間無離散。

應用程序由初始化、數據輸入、輸出等模塊組成。

初始化過程完成函數聲明、子程序定義、變量定義、對調用的硬件資源進行初始化設置等工作。

數據輸入模塊功能：

（1）通過指定的IO 口獲取用戶的各種操作，包括旋鈕位置、開關狀態、按鍵動作等；

（2）讀取AD 對輸出信號幅值的測量結果；

（3）把輸入數據轉換為程序中的變量待處理。

數據輸出模塊功能：

（1）驅動LCD 液晶顯示器，顯示輸出信號的頻率值、輸出幅值和波形代碼；

（2）控制波形轉換；

（3）根據輸出頻率設置濾波參數。

總言之，由于硬件完成了大部分功能，應用程序只須掃描采集按鍵和電位器狀態數據，據此設置計數器預置數獲得預期波形和頻率，并把結果送LCD 顯示即可。

2 實測指標

實現的技術指標如下。頻率范圍X1 檔10～4000Hz，步距：1Hz；X5 檔50～20000Hz，步距：5Hz；X0.1 檔1～400Hz，步距：0.1Hz；輸出波形為方波、正弦波、三角波、鋸齒波等幾種；輸出電壓峰峰值：±2.5V；負載阻抗：≥1kΩ；LCD 顯示：2 行，每行16 字符，可同時顯示兩路信號的波形、頻率、輸出電壓；電源：DC12V；電流≤100mA。在本設計中，頻率有效數字位數和溫漂、時漂精度取決于石英晶振的精度，本文采用的石英晶振具有如下技術指標。5 位有效數字的頻率值：4.0960MHz，時漂和溫漂：10‐6ppm/hour.℃，上述指標可以通過提高晶振指標得到改善。采用GFG‐813 型頻率計作為標準頻率計對樣品進行頻率精度檢測，檢測結果見表1。測試結果表明，與標準頻率相比，在16KHz 以下符合得很好，超過16KHz 開始有0.001KHz 的微小差別。

表1：測試結果（單位：Hz）

3 結語

論文給出在通用元器件和低成本硬件平臺上如何實現數字信號源優良技術指標的技術方案，設計的全部電路均經過實際運行驗證，自制的信號源設備已經被河海大學物理實驗中心用于實驗教學多年，運行效果良好。設備充分利用ATmega8 單片機內部資源和低成本元器件，元件成本可控制在百元以下，樣機可生成多種波形，具有數字信號源的主要技術指標，同時又有結構簡單、成本低廉、維護方便的優點，具有較高的實用價值，尤其適用于大面積實驗教學。