高祥, 楊小銳, 蔡樂才, 居錦武, 高媛媛

(1.四川理工學(xué)院 a.機(jī)械工程學(xué)院;b.計(jì)算機(jī)學(xué)院;c.理學(xué)院, 四川自貢643000;2.宜賓學(xué)院, 四川宜賓644000)

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基于AD9833的智能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真

高祥1a, 楊小銳1a, 蔡樂才2, 居錦武1b, 高媛媛1c

(1.四川理工學(xué)院 a.機(jī)械工程學(xué)院;b.計(jì)算機(jī)學(xué)院;c.理學(xué)院, 四川自貢643000;2.宜賓學(xué)院, 四川宜賓644000)

針對(duì)高頻信號(hào)源直接數(shù)字頻率合成存在較多雜散信號(hào)和較窄輸出頻帶等問(wèn)題，提出了一種頻率和相位可編程的智能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)的波形發(fā)生器采用DDS芯片AD9833，通過(guò)單片機(jī)編程控制，可實(shí)現(xiàn)正弦波、三角波和方波等多種波形輸出。輸出頻率相對(duì)誤差數(shù)量級(jí)為10-5時(shí)，正弦波最高頻率為10 MHz，最低頻率為10 Hz；方波和三角波最高頻率為5 MHz，最低頻率為100 Hz。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有雜散信號(hào)小、輸出頻帶寬、精度高、切換速度快等特點(diǎn)。

頻率合成技術(shù);信號(hào)發(fā)生器;智能信號(hào);仿真

引言

高頻寬帶信號(hào)發(fā)生器是工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制和機(jī)械設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)的重要測(cè)試儀器，要求其具有很高的頻率精度，同時(shí)輸出信號(hào)要求寬頻帶且相位連續(xù)[1-2]?；贒S技術(shù)和PLL技術(shù)進(jìn)行頻率合成的信號(hào)發(fā)生器，不能實(shí)現(xiàn)高精度和良好頻譜純度的功能，而采用DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器輸出波形的相位連續(xù)、穩(wěn)定度高，具有非常高的頻率精度和輸出帶寬。DDS技術(shù)采用數(shù)字合成方法產(chǎn)生相對(duì)于采樣時(shí)鐘相位和頻率均可調(diào)節(jié)的信號(hào)，再經(jīng)正弦ROM表映射產(chǎn)生相應(yīng)波形[3-4]。目前，基于DDS的智能信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案主要有以下3種：(1)基于單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器方案。其實(shí)質(zhì)是單片機(jī)通過(guò)程序控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生簡(jiǎn)單的輸出波形，波形的高頻特性和精度受單片機(jī)的性能限制，輸出波形的頻率較低，軟件設(shè)計(jì)較復(fù)雜[5]；(2)單片機(jī)和鎖相環(huán)集成芯片方案。利用鎖相環(huán)分頻的方式產(chǎn)生輸出波形，雖然輸出波形具有良好的穩(wěn)定性，但存在頻率轉(zhuǎn)換精度和信號(hào)切換速度沖突的問(wèn)題；(3)基于數(shù)字信號(hào)處理器的方案。其波形由DSP或者FPGA的軟件程序產(chǎn)生，具有精度高、失真小等優(yōu)點(diǎn)[6-7]，但存在軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，性價(jià)比不高等缺點(diǎn)。本文選用專用可編程波形發(fā)生芯片AD9833進(jìn)行頻率合成，系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，輸出波形頻譜純度和波形穩(wěn)定度很高。

1 波形發(fā)生器AD9833基本原理

AD9833自帶工作頻率高達(dá)40 MHz的3線SPI接口，外部控制器通過(guò)SPI接口對(duì)AD9833進(jìn)行編程操作，AD9833的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。相位寄存器的數(shù)值隨著外部時(shí)鐘信號(hào)步進(jìn)增加，該數(shù)值與外部控制器產(chǎn)生的相位控制字相加后輸入到正弦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址中得到地址相位信息。地址相位信息通過(guò)正弦數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表映射得到數(shù)字量信號(hào)S(n)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到模擬梯形波信號(hào)S(t)，最后經(jīng)過(guò)低通濾波器得到精度和雜散抑制度很高的輸出波形[8]。該芯片可通過(guò)軟件編程改變控制輸出信號(hào)相位和頻率參數(shù)，實(shí)現(xiàn)相位連續(xù)狀態(tài)下的多波形快速切換。

圖1 AD9833工作原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)按照功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要功能模塊包括系統(tǒng)電源模塊、執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)交換模塊、決策模塊和操作模塊。決策模塊采用STC15W4K32S4單片機(jī)為主控制器，是整個(gè)硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)處理和信息交互的核心；執(zhí)行模塊采用波形發(fā)生器AD9833集成芯片作為直接數(shù)字頻率合成中心；操作模塊和數(shù)據(jù)交互模塊提供了人機(jī)交互接口和程序下載調(diào)試功能；系統(tǒng)電源模塊根據(jù)各模塊的工作電壓分別設(shè)計(jì)了獨(dú)立供電電路。單片機(jī)接收用戶鍵盤輸入的所需波形和頻率幅值參數(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)控制字傳遞給波形發(fā)生器芯片AD9833，AD9833收到控制字后產(chǎn)生所需波形，同時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示該波形名稱、頻率等參數(shù)信息。硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)圖

2.2 波形發(fā)生器電路設(shè)計(jì)

AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款完全集成的直接數(shù)字頻率合成(DDS)芯片，該芯片具有休眠功能，即未工作部分能進(jìn)入休眠狀態(tài)，可大大降低系統(tǒng)功耗。同時(shí)AD9833外部電路簡(jiǎn)單，通過(guò)SPI接口與控制器連接，配合簡(jiǎn)單的解耦電容器、精度要求不高的電阻器和有源晶振就可以產(chǎn)生頻率較高的波形信號(hào)，其與單片機(jī)連接電路如圖3所示。

圖3 AD9833與單片機(jī)連接電路

2.3 人機(jī)界面硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能信號(hào)發(fā)生器采用4×4的矩陣鍵盤作為命令參數(shù)輸入工具，鍵盤的編碼值可通過(guò)行列掃描方式得到，單片機(jī)采用并行方式與液晶連接，可以顯示人機(jī)交互信息及輸出波形的參數(shù)信息，人機(jī)界面硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 人機(jī)界面硬件電路

2.4 濾波電路設(shè)計(jì)

AD9833輸出頻率范圍為0～12.5 MHz，為保證輸出波形在工作范圍內(nèi)最大程度不失真，設(shè)計(jì)了截止頻率為12 MHz的二階巴特沃斯低通濾波器[9-11]，其傳遞函數(shù)的如下：

(1)

電路結(jié)構(gòu)采用無(wú)限增益多路反饋型電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 二階巴特沃斯低通濾波器電路

為了取得良好的低通濾波效果，需要根據(jù)給定頻率fc大小，參考二階無(wú)限增益多路反饋巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)電容選擇表選擇電容C1大小為100 pF[12]，然后根據(jù)所選擇電容C1的理論值，計(jì)算電阻換標(biāo)系數(shù)K。

(2)

按二階無(wú)限增益多路反饋巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)用表確定電容C2與歸一化電阻值r1～r3，將歸一化電阻值乘以換標(biāo)系數(shù)K得到各電阻實(shí)際值，具體數(shù)據(jù)計(jì)算如下：取增益Kp=-2，查表可得r1=2.565kΩ，r2=3.292kΩ，r3=5.130kΩ。用歸一化阻值分別乘以電阻換標(biāo)系數(shù)并根據(jù)常用電阻值系列可確定實(shí)際電阻R1=220 Ω，R2=330 Ω，R3=470 Ω，C2=0.15x100 pF=15 pF，取C2=20 pF。

2.5 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

波形發(fā)生器AD9833產(chǎn)生的輸出信號(hào)電壓幅值較小，不便于驅(qū)動(dòng)后級(jí)的負(fù)載電路，所以需要進(jìn)行信號(hào)電壓幅值放大。經(jīng)過(guò)濾波之后的波形輸出信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一級(jí)由高精度運(yùn)算放大器OAP2277組成的電壓跟隨器，這樣可以進(jìn)一步優(yōu)化濾波電路的輸出阻抗，然后輸出信號(hào)加到后級(jí)運(yùn)放的同相輸入端實(shí)現(xiàn)電壓幅值的負(fù)反饋放大。本設(shè)計(jì)的運(yùn)放電路采用寬頻帶精密放大器ADA4627，其具有低噪聲和低失調(diào)、漂移的特性，適合應(yīng)用于不容許存在誤差源的場(chǎng)合。具體信號(hào)處理電路如圖6所示。

圖6 波形信號(hào)處理電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電完成初始化后，單片機(jī)根據(jù)掃描得到的鍵盤輸入信息計(jì)算出波形參數(shù)，并產(chǎn)生相應(yīng)控制字傳遞給波形發(fā)生器AD9833芯片，最終輸出和設(shè)定值相同頻率和幅值的相應(yīng)波形，同時(shí)將波形的參數(shù)信息顯示到LCD上，具體流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

單片機(jī)對(duì)AD9833寫控制寄存器、頻率寄存器和相位寄存器時(shí)，首先需要把選通信號(hào)置為有效狀態(tài)，此時(shí)寫入的數(shù)據(jù)才有效。單片機(jī)完成AD9833的初始化工作后，設(shè)置其數(shù)據(jù)寫入方式，最后寫入數(shù)據(jù)得到想要的波形。具體軟件流程如圖8所示。

圖8 單片機(jī)控制AD9833軟件流程圖

4 仿真測(cè)試

本系統(tǒng)的仿真測(cè)試工作在Multisim 10.0平臺(tái)上完成。測(cè)試過(guò)程中使用軟件內(nèi)部提供的模擬鍵盤設(shè)定需要產(chǎn)生波形的類型、頻率和幅值參數(shù)，依次產(chǎn)生峰值電壓20 V，頻率100 Hz的正弦波、方波和三角波[13]，并將測(cè)試的波形信息顯示在模擬示波器中，具體測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 多波形信號(hào)測(cè)試仿真圖

為測(cè)試本設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器的頻率帶寬和頻率精度特性，對(duì)信號(hào)發(fā)生器輸出的正弦波頻率精度進(jìn)行仿真測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 正弦波仿真結(jié)果

對(duì)方波頻率精度進(jìn)行仿真測(cè)量，測(cè)量結(jié)果，見表2。

表2 方波仿真結(jié)果

對(duì)三角波頻率精度進(jìn)局中真測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表3。

表3 三角波仿真結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形具有很高的精度和穩(wěn)定性，并且輸出信號(hào)的頻帶很寬。相對(duì)誤差為10-5時(shí)，輸出的正弦波頻率范圍為10 Hz～10 MHz；方波的頻率范圍為100 Hz～5 MHz；三角波的頻率范圍為100 Hz～5 MHz。

5 結(jié)論

本文利用波形發(fā)生器AD9833集成芯片設(shè)計(jì)了一種智能信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)發(fā)生器可根據(jù)使用者的指令輸出多種波形信號(hào)，具有波形穩(wěn)定、相位連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有很寬的頻域和較高的精度指標(biāo)。

(1)本設(shè)計(jì)的智能信號(hào)發(fā)生器與基于單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的方案相比，具有更高的波形輸出頻率和輸出帶寬。

(2)與單片機(jī)和鎖相環(huán)集成芯片的方案相比，輸出波形的精度更高，并且波形間的切換速度更快。

(3)與基于數(shù)字信號(hào)處理器的方案相比，兩者都具有很高的輸出波形穩(wěn)定度和高頻帶寬，但本設(shè)計(jì)的軟硬件相對(duì)簡(jiǎn)單，縮小了開發(fā)的難度和周期，具有更高的性價(jià)比，所以本設(shè)計(jì)的智能信號(hào)發(fā)生器非常適合應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制和機(jī)械設(shè)備振動(dòng)試驗(yàn)等相關(guān)領(lǐng)域。

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Design and Simulation of Intelligent Signal Generator Based on AD9833

GAOXiang1a,YANGXiaorui1a,CAILecai2,JUJinwu1b,GAOYuanyuan1c

(1a.School of Mechanical Engineering; 1b.School of Computer Science; 1c.School of Science, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China; 2.Yibin University, Yibin 644000, China)

There are many spurious signal and narrow output frequency band in the direct digital frequency synthesis for high frequency signal source. Aiming at these problems, a design method of frequency and phase-programmable intelligent signal generator is proposed. The waveform generator of the system has used DDS chip AD9833. Through microcontroller programming control, the outputs of a variety of waveforms, such as sine wave, triangular wave, square wave, can be achieved. When the order of magnitude of the relative error of output frequency is 10-5, the highest frequency of sine wave is 10 MHz, and the lowest frequency is 10 Hz; the highest frequency of square wave and triangular wave is 5 MHz, the lowest frequency is 100 Hz. The simulation results show that the system has the characteristics of small spurious signal, wide output frequency band, high accuracy, fast switching speed and so on.

frequency synthesis technology; signal generator; intelligent signal; simulation

2015-04-14

人工智能四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(2013RZY03);企業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2013WYY05;2013WZY04;2014WZY01);四川理工學(xué)院科研基金項(xiàng)目(2014KY03;2012KY22);自貢市科技局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2013z167)

高 祥(1983-),男,山東膠州人,助教,碩士,主要從事物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控技術(shù)、智能儀器儀表、光機(jī)電一體化技術(shù)與設(shè)備方面的研究,(E-mail)319007gao@163.com

1673-1549(2015)03-0057-05

10.11863/j.suse.2015.03.12

TM935;TN74;TP391.9

A