顧浚哲，楊旻薈，田澄睿

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京，210044）

0 引言

隨著信號處理領(lǐng)域的發(fā)展，信號發(fā)生器的開發(fā)越來越受到研究人員的重視。由于各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式表示，信號發(fā)生器在生產(chǎn)實(shí)踐和科研領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如以信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波對儀器的性能進(jìn)行測量，以及作為載波對信號進(jìn)行調(diào)制。信號發(fā)生器在電子領(lǐng)域內(nèi)有著重要的地位。本文以DDS芯片AD9850作為核心器件，STM32F103ZET6作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種成本低廉的實(shí)用信號源。本文的技術(shù)方案能夠?yàn)樾盘栐吹膽?yīng)用場景提供有效參考。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體思路

通過AD9850產(chǎn)生相位互補(bǔ)的正弦波，單片機(jī)STM32F103ZET6控制頻率，經(jīng)過AD8021減法電路結(jié)合AD603程控放大，放大后的信號經(jīng)有效值檢測模塊由單片機(jī)ADC測量并換算出電壓值。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于以上分析，將電路系統(tǒng)與單片機(jī)控制結(jié)合，形成人機(jī)交互界面。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總框架圖

1.3 抗干擾措施

模塊之間用電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)分立，減少模塊之間參數(shù)的影響。

盡可能增大接地面積，盡可能保證共地，實(shí)現(xiàn)高頻信號的穩(wěn)定傳輸。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號發(fā)生器部分

本實(shí)用信號源的信號發(fā)生模塊采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）方案。DDS核心部分由相位累加器和正弦波查詢表組成。DDS內(nèi)核在內(nèi)部邏輯單元的控制下，不斷進(jìn)行高速數(shù)模轉(zhuǎn)換，在輸出端得到波形信號。DDS技術(shù)具有輸出頻率相對較寬，頻率轉(zhuǎn)換時間短，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，以及相關(guān)波形參數(shù)（頻率、相位、幅度）均可實(shí)現(xiàn)程控的優(yōu)點(diǎn)。若相位累加器的位數(shù)為N，改變頻率控制字K或參考時鐘fr，即可改變輸出正弦波的頻率f0，具體表達(dá)式如下：

f0=K×fr/2N

用集成DDS芯片AD9850輸出波形頻率幅值穩(wěn)定，頻率范圍可滿足設(shè)計(jì)需求，且其可通過STM32單片機(jī)進(jìn)行程控，便捷高效可移植?

2.2 放大電路部分

DDS信號發(fā)生模塊輸出的正弦波幅值在1V左右，為滿足設(shè)計(jì)要求輸出電壓峰峰值1～8V可調(diào)，需在后續(xù)加入放大電路。此放大電路需能夠承受設(shè)計(jì)要求的信號頻率20Hz～3MHz，且有足夠的驅(qū)動能力以驅(qū)動50Ω負(fù)載。

基于上述要求，本實(shí)用信號源使用AD8021減法電路相減去除直流分量，經(jīng)分壓電路分壓后輸入AD603進(jìn)行放大。DDS產(chǎn)生的相位互補(bǔ)的正弦波，經(jīng)減法電路后可從理論上完全消除直流分量的影響。且減法電路可同時使信號獲得兩倍放大，一定程度上減輕后續(xù)放大模塊的放大壓力。此外，AD603是一款低噪聲、電壓控制型放大器，90MHz帶寬時增益范圍為-11dB至+31dB，9MHz帶寬時增益范圍為+9dB至+51dB。

因此，采用AD8021減法電路結(jié)合AD603程控放大無論是從電壓調(diào)節(jié)范圍還是增益精度都可滿足設(shè)計(jì)要求。AD603的電路原理圖如圖2所示，AD8021的電路原理圖如圖3所示。

圖2 AD603電路原理圖

圖3 AD8021電路原理圖

2.3 有效值檢測部分

有效值檢測模塊AD637是一款完整的高精度、均方根直流轉(zhuǎn)換器，可計(jì)算任何復(fù)雜交流（或交流加直流）的真均方根值、均方值或絕對值，并提供等效直流輸出電壓。AD637擁有很高性能，此模塊可承受輸入電壓60dB范圍以內(nèi)，輸入頻率范圍0～8MHz。

因此，本實(shí)用信號源的有效值檢測部分采用有效值檢測模塊AD637。AD637的電路原理圖如圖4所示。

圖4 AD637電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

3.1 峰峰值計(jì)算部分

輸出正弦波的峰峰值是一個關(guān)于頻率和控制電壓的函數(shù)，即：

fout=f(h,v)

表1 部分打點(diǎn)數(shù)據(jù)

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方法

STM32F103ZET6單片機(jī)完成對DDS模塊AD9850的控制和人機(jī)交互。整個系統(tǒng)以單片機(jī)外拓的矩陣鍵盤控制信號輸入，兩個按鍵分別控制輸入信號的頻率與幅值，一個按鍵控制增減的步長，兩個按鍵分別控制增減。隨后通過DA控制程控放大模塊AD603使輸出信號在0～8V之間。最后通過數(shù)據(jù)擬合的方式計(jì)算低頻段和高頻段的峰峰值。

4 系統(tǒng)測試

4.1 調(diào)試與測試所用儀器

(a)數(shù)字示波器

(b)函數(shù)信號發(fā)生器

(c)數(shù)字萬用表

(d)虛擬儀器

4.2 測試結(jié)果

當(dāng)輸入信號頻率小于990Hz時，本文所設(shè)計(jì)的實(shí)用信號源采用數(shù)據(jù)擬合結(jié)合有效值檢波模塊AD637獲取控制電壓與輸出峰峰值關(guān)系如表2。

表2 控制電壓與輸出峰峰值關(guān)系表

當(dāng)輸入信號頻率大于1500000Hz時，本文所設(shè)計(jì)的實(shí)用信號源采用數(shù)據(jù)擬合結(jié)合有效值檢波模塊AD637獲取控制電壓與輸出峰峰值關(guān)系如表3。

表3 控制電壓與輸出峰峰值關(guān)系表

本實(shí)用信號源所發(fā)生的正弦信號如圖5所示。

圖5 發(fā)生的正弦信號

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的基于DDS芯片AD9850和主控芯片STM32F103ZET6實(shí)用信號源，可以發(fā)生頻率20Hz～3Mhz，輸出電壓峰峰值1～8V的正弦信號，并能夠自主設(shè)置頻率和峰峰值并顯示在本地屏幕上。本文的實(shí)用信號源的設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)樾盘柊l(fā)生器的研究與設(shè)計(jì)提供一定的參考價值。