劉平英 李紅婷 梁旭東 徐 軍

南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院

本文基于DDS 數(shù)字直接合成技術(shù)，研制一種通過鍵盤操作和LED 顯示的信號(hào)發(fā)生器，其輸出波形頻率、幅值可任意分段編程和調(diào)節(jié)，系統(tǒng)測試表明該信號(hào)發(fā)生器誤差范圍小，精度高，人機(jī)對(duì)話性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠，易于操作，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，它可以產(chǎn)生多種波形信號(hào)，因而在通信、測控、導(dǎo)航、雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器有用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器，晶體管、運(yùn)放等通用器件制成的信號(hào)發(fā)生器和利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器。傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產(chǎn)生正弦振蕩獲得所需頻率，導(dǎo)致其發(fā)生頻率不高，工作不穩(wěn)定，不易調(diào)試。相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，DDS 直接數(shù)字合成技術(shù)從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理是頻率合成技術(shù)的一次重大改革，它在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)化時(shí)間、相位連續(xù)性、正交輸出、高分辨率以及集成化等一系列性能指標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平。

但由于DDS 數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的固有特點(diǎn)，決定了其輸出頻譜雜散較大，對(duì)雜散的分析和抑制一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。項(xiàng)目通過對(duì)DDS 技術(shù)相位舍位、幅度量化和DAC的非理想特性研究分析，解決輸出頻譜雜散、精度等問題，研制具有廣泛工程應(yīng)用前景的信號(hào)發(fā)生器，對(duì)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法和原理具有指導(dǎo)意義。

主要技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計(jì)是基于可編程信號(hào)發(fā)生器AD9833 和單片機(jī)C8051F020 研制可產(chǎn)生各種頻率，并通過鍵盤操作改變輸出波形和頻率，且能LED 顯示的高精度信號(hào)發(fā)生器。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）輸出頻率f：10～9999 Hz，可調(diào)整。（值誤差1%）

2）輸出電壓A：0～9.9V（有效值），可調(diào)整。（0.1V/檔）（值誤差3%）

3）輸出頻率（輸出電壓）可按時(shí)間分段編程。

正弦波有效值A(chǔ)（或頻率f）可以按時(shí)間段設(shè)定。如圖1 所示，前段結(jié)束時(shí)的參數(shù)就是后一段的起始參數(shù)（連續(xù)線），本段起始參數(shù)與上段結(jié)束時(shí)的參數(shù)不一致（跳變線），結(jié)束段做完從起始段重復(fù)。本機(jī)共分n 段，不用的段時(shí)間長度為零，每段時(shí)長為n 秒。運(yùn)行的開始時(shí)間以及總運(yùn)行時(shí)間可任意設(shè)定。

4）參數(shù)設(shè)置方法

4.1 通訊總線方式：485 協(xié)議：modbus RTU 地址：0 主機(jī) 地址：1-31 從機(jī) 默認(rèn)地址：1

4.2 可拆卸鍵盤、LED 顯示器手動(dòng)設(shè)置

5）輸出

5.1 音頻信號(hào)輸出阻抗：小于等于600 歐，

5.2 顯示分辨率 頻率顯示：9999Hz 幅值顯示：9.9V（可拆卸LED 顯示器）。

6）校準(zhǔn) 接標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，通過可拆卸鍵盤、LED 顯示器手動(dòng)校準(zhǔn)。

硬件設(shè)計(jì)

信號(hào)發(fā)生器由五個(gè)電路模塊組成：微處理器（C8051F020）、波形發(fā)生器（AD9833）、電源模塊、輸出接口模塊、通信接口模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

微處理器模塊

該系統(tǒng)由混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)微控制器C8051F020 作為主控芯片，C8051F020 基本外圍電路有時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、弱上拉電路、預(yù)留接口和TAG 連接電路。該芯片能接收通信接口模塊的信號(hào)，對(duì)波形發(fā)生器的幅值、頻率進(jìn)行控制，通過JTAG 與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行編程。

電源模塊

電源模塊有兩個(gè)開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596、兩個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)的-5V 穩(wěn)壓電路組成。LM2596 產(chǎn)生的3.3V、5V、-5V 的直流穩(wěn)壓電源分別給微處理器、通信接口模塊、波形發(fā)生器模塊、輸出接口模塊供電。

波形發(fā)生器模塊

波形發(fā)生器模塊由AD9833 配置電路和1M 的有源晶振電路組成。AD9833 是ADI 公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，外部電路僅需少量元件就能產(chǎn)生高達(dá)12.5MHz 的正弦波。AD9833 的配置電路如圖3 所示，C8051F020 產(chǎn)生的控制信號(hào)和波形通過SPI 接口與AD9833 的8、7、6 腳相連，經(jīng)過濾波后輸出。有源晶振的頻率選擇不得低于輸出頻率，采用串行輸出模式，接收處理器的數(shù)據(jù)和輸入控制信號(hào)。波形發(fā)生器有獨(dú)立的時(shí)鐘電路，AD9833 的時(shí)鐘由其決定。

圖1 時(shí)間段設(shè)定示意圖

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通信模塊

通信模塊由SP1486E 及其外圍電路組成，SP1486E 是半雙工差分線收發(fā)器，適合使用在多點(diǎn)總線傳輸線上的高速雙向通信中。每個(gè)器件都包含1 個(gè)差分驅(qū)動(dòng)器和1 個(gè)差分接收器。作用是將PLC 信號(hào)發(fā)給C8051F020，也將C8051 的信號(hào)發(fā)給PLC，采用485 通訊的自由協(xié)議方式。

輸出模塊

由雙路選擇、輸出波形調(diào)整電路、數(shù)字控制電位計(jì)9013、反向放大電路及反饋電路組成。雙向選擇電路由兩個(gè)作用：一、電平轉(zhuǎn)移，將0 和3.3V（或5V）的電平轉(zhuǎn)換為-5V 和3.8V 的電平；二、可以選擇輸出波形，隨機(jī)或正弦波。輸出波形調(diào)整電路可將信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)調(diào)整到以零為基準(zhǔn)，幅值調(diào)整到合適的值，便于數(shù)字電位計(jì)調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出波形倒向。數(shù)字控制電位器可以控制幅值，實(shí)際調(diào)節(jié)范圍由VH 和VL 決定。反相放大電路使輸入波形倒向同時(shí)有放大的作用，可以提高帶負(fù)載能力。反饋電路用于將輸出信號(hào)反饋到處理器ADC0.0 端，通過測量來調(diào)整輸出波形幅值，由兩級(jí)濾波一級(jí)分壓電路串聯(lián)組成。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)的程序編寫，單片機(jī)的主要工作是鍵盤輸入、液晶顯示、調(diào)節(jié)正弦波幅度、接收PLC 指令和控制DDS 芯片的工作狀態(tài)。主要的程序段包括幅值調(diào)節(jié)模塊、頻率調(diào)節(jié)模塊、C8051F020 單片機(jī)的初始化，串口初始化、ADC0 口初始化、與PLC 通訊等，單片機(jī)的初始化程序包括關(guān)看門狗、時(shí)鐘檢測、端口初始化、SFR 初始化、端口的宏定義等。主程序流程如圖4 所示，設(shè)置為無限循環(huán)模式，串口通訊應(yīng)該采取中斷方式，包含輸出模式選擇程序。

圖3 AD9833 配置電路

圖4 主程序流程圖

圖5 PLC 程序

系統(tǒng)調(diào)試

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，完成所有設(shè)計(jì)之后，到該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測。給PLC、15V 電源和示波器上電（PLC和單片機(jī)中都已經(jīng)預(yù)存程序），單片機(jī)就開始工作。PLC 中預(yù)存的通訊程序如圖5 所示，單片機(jī)發(fā)送的信號(hào)為300Hz——400Hz 掃 頻，Δt=1s，Δf=（400-300）/20=5Hz，各頻段信號(hào)的最大值穩(wěn)定在10V（100）。

修改圖中%MW204 的值，可以改變掃頻的起始頻率；修改圖中%MW206 的值，可以改變掃頻的終止頻率；修改圖中%MW208 的值，可以修改掃頻的Δf；修改圖中%MW210 的值，可以修改掃頻時(shí)各頻段的幅值。若需要單片機(jī)發(fā)送出單頻信號(hào)，可以修改通訊協(xié)議中的%MW204 和%MW206 為相同的值或者可以設(shè)置單片機(jī)為手動(dòng)方式。測試結(jié)果如表1 所示，值誤差小于1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 測試結(jié)果

總結(jié)

項(xiàng)目采用DDS 技術(shù)，研制的信號(hào)發(fā)生器誤差范圍小，精度高，輸出波形頻率、幅值可任意分段編程和調(diào)節(jié)，通過鍵盤和LED 顯示器操作，人機(jī)對(duì)話性能優(yōu)良，穩(wěn)定可靠，易于操作，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。目前該信號(hào)發(fā)生器已成功應(yīng)用于南京常榮聲學(xué)股份有限公司的自動(dòng)吹灰系統(tǒng)中。