低频信号发生器的设计
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作者: 邓鸿飞
[摘要] 直接数字合成(DDS)是一种重要的频率合成技术，具有分辨率高、频率变换快优点，在雷达及通信等领域有着广泛的应用前景，介绍了一种高性能DDS芯片AD9850的基本原理和工作特点，阐述了如何利用此芯片设计一种频率在0kHz~50kHz内变化、相位正交的信号源，给出了AD9850芯片和MCS51单片机的硬件接口和软件流程。
[关键词] 直接数字频率合成；信号源：AD9850芯片
一、概述
随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围数字/模拟(D，A)转换器的出现和广泛应用，用数字控制方法从一个标推参考频率源产生多个频率信号的技术，即直接数字合成(DDS)异军突起。其主要优点有：(1)频率转换快：DDS频率转换时间短，一般在纳秒级；(2)分辨率高：大多数DDS可提供的频率分辨率在1Hz数量级，许多可达0.001Hz；(3)频率合成范围宽；(4)相位噪声低，信号纯度高；(5)可控制相位：DDS可方便地控制输出信号的相位，在频率变换时也能保持相位联系：(6)生成的正弦／余弦信号正交特性好等。因此，利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号，这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。
二、低频信号发生器的组成
(1)主振器。RC文氏桥式振荡器具有输出波形失真小、振幅稳定、频率调节方便和频率可调范围宽等特点，故被普遍应用于低频信号发生器主振器中。主振器产生与低频信号发生器频率一致的低频正弦信号。文氏桥式振荡器每个波段的频率覆盖系数(即最高频率与最低频率之比)为10，因此，要覆盖1Hz~1MHz的频率范围，至少需要五个波段。为了在不分波段的情况下得到很宽的频率覆盖范围，有时采用差频式低频振荡器，图2.8为其组成框图。假设f2=3.4MHz，f1可调范围为3.3997MHz~5.1MHz，则振荡器输出差频信号频率范围为300Hz(3.4MHz―3.3997MHz)~1.7MHz(5.1MHz~3.4MHz)。差频式振荡器的缺点是对两个振荡器的频率稳定性要求很高，两个振荡器应远离整流管、功率管等发热元件，彼此分开，并良好屏蔽。(2)电压放大器。电压放大器兼有缓冲与电压放大的作用。缓冲是为了使后级电路不影响主振器的工作，一般采用射极跟随器或运放组成的电压跟随器。放大是为了使信号发生器的输出电压达到预定技术指标。为了使主振输出调节电位器的阻值变化不影响电压放大倍数，要求电压放大器的输入阻抗较高。为了在调节输出衰减器时，不影响电压放大器，要求电压放大器的输出阻抗低，有一定的带负载能力。为了适应信号发生器宽频带等的要求，电压放大器应具有宽的频带、小的谐波失真和稳定的工作性能。(3)输出衰减器。输出衰减器用于改变信号发生器的输出电压或功率，分为连续调节和步进调节。连续调节由电位器实现，步进调节由步进衰减器实现。(4)功率放大器及阻抗变换器功率放大器用来对衰减器输出的电压信号进行功率放大，使信号发生器达到额定功率输出。为了能实现与不同负载匹配，功率放大器之后与阻抗变换器相接，这样可以得到失真小的波形和最大的功率输出。阻抗变换器只有在要求功率输出时才使用，电压输出时只需衰减器。阻抗变换器即匹配输出变压器，输出频率为5Hz~5kHz时使用低频匹配变压器，以减少低频损耗，输出频率为5kHz~1MHz时使用高频匹配变压器。输出阻抗利用波段开关改变输出变压器次级圈数来改变。
三、工作原理及结构
函数信号发生器产生信号的方法有三种：一种是由施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波形：第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波：第三种是先产生三角波再变换为方波和正弦波。在此主要介绍第一种方法，即脉冲式函数信号发生器。
四、低频信号发生器的主要工作特性
目前，低频信号发生器的主要工作特性如下：(1)频率范围一般为20Hz~1MHz，且连续可调。(2)频率准确度±(1~3)％。(3)频率稳定度一般为(0.1~0.4)％小时。(4)输出电压0V~10V连续可调。(5)输出功率0.5W~5W连续可调。(6)非线性失真范围(0.1～1)％。(7)输出阻抗50Ω、75Ω、150Ω、600Ω、5kΩ等几种。(8)输出形式：平衡输出与不平衡输出。
五、低频信号发生器的使用
了解面板结构。使用仪器之前，应结合面板文字符号及技术说明书对各开关旋钮的功能及使用方法进行耐心细致的分析了解，切忌盲目猜测。信号发生器面板上有关部分通常按其功能分区布置，一般包括：波形选择开关、输出频率调谐部分(包括波段、粗调、微调等)、幅度调节旋钮(包括粗调、细调)、阻抗变换开关、指示电压表及其量程选择、电源开关及电源指示、输出接线柱等。
六、AD9850芯片介绍
AD9850是AD公司生产的最高时钟为125MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器(DAC)和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。AD9850的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表，其中相位累加器由一个加法器和一个32位相位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字(5位)相加后作为正弦查找表的地址。正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表，它包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0～360。范围的一个相位点。查找表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动10bit的DA变换器，输出2个互补的电流，其幅度可通过外接电阻进行调节。AD9850还包括一个高速比较器，将DA变换器的输出经外部低通滤波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波，这使得AD9850可以方便地用作时钟发生器。AD9850包含40位频率/相位控制字，可通过并行或串行方式送入器件：并行方式指连续输入5次，每次同时输入8位(1个字节)；串行方式则是在，个管脚完成40住串行数据流的输入。这40位控制字中有32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于掉电(powerdown)控制，2位用于选择工作方式。在并行输入方式下，通过8位总线D0～D7将外部控制字输入到寄存器，在W―CLK(字输入时钟)的上升沿装入第一个字节，并把指针指向下一个输入寄存器。连续5个W―CLK的上升沿读入5个字节数据到输入寄存器后，W―CLK的边沿就不再起作用。然后在rQ―UD(频率更新时钟)上升沿到来时将这40位数据从输入寄存器装A到频率/相位寄存器，这时DDS输出频率和相位更新一次。同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待下一次的频率/相位控制字输入。
七、硬件设计
要产生两路相位正交、频率可由外部控制舶正弦信号，必须通过单片机编程来完成外部输入的频率数据(3个字节)与DDS38芯片(AD9850)内部频率相位控制字(5个字节)间的转换。单片机8051与AD9850芯片的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，本设计采用的是8位并行接口方式。由于需要产生VQ两路正弦信号，因此使用了2片AD9850芯片，这两路的频率相同。相位差90。单片机8051的P1 口(P1.0～P1.7脚)用作外部控制字输入，通过中断1和中断0读入外部频率数据，连续读3次，对应频率值的二进制数；单片机的P0口(P0.0～P0.7脚)用作频率/相位控制字输出，通过8位缓冲器74LS244作数据缓冲后加到2片AD9850芯片的8位控制宇输入端(DO～D7脚)，同时产生相应的DDS时序控制信号(一路复位rvsetl、二路复位；reset2、一路字输入时钟W1、二路字输入时钟W2、一路频率更新时钟FU1、二路频率更新时钟FU2)加到AD9850芯片的对应管脚。AD9850的外部参考时钟信号(dk40ra)频率为40MYz，由晶体振荡器产生。单片机8051的复位信号(reset)、中断0和中断1控制信号(into、intl)由外部控制系统给出，从而实现两路相位正交、频率可控的正弦信号。
八、软件控制
此程序的功能就是要将外部输入的频率数据按照一定协议和算法交换成DDS芯片(AD9850)所能接受的格式，并送出相应的频率相位控制信号，从而使AD9850能产生两路相位正交、频率可控的正弦信号。下面给出程序设计输入、输出、变换算法。(1)输入。数据同步：上升沿时读人1个字节的频率数据，作为intl中断输入；数据写入：上升沿时频率更新1次，作为into中断输入；8位数据：输入的频率字节。分3次输入。(2)输出。单片机控制程序将产生下述输出信号加到DDS芯片(AD9850)的对应脚：resetl:一路DDS复位(一路AD9850第22脚)；re-set7：二路DDS复位(一路AD9850第22脚)；wl:一路数据同步(一路AD9850第7脚)；w2：二路数据同步(二路AD9850第7脚)：ful:一路数据写入(一路AD9850第8脚)：fu2:二路数据写入(二路AD9850第8脚)；P0口(P0.0-P0.7)：8位频率/相位数据输出(AD9850的DO～D7脚)。(3)算法：程序中单片机输入频率数据F(3个字节)与输出频。率数据△P(4个字节)间的变换算法见式(2)其中CLKIN为外部参考时钟(40MHz)。(4)程序流程：整个程序由主程序、中断0子程序、中断1子程序三部分构成。
对设计的信号源在不同频率下的输出波形进行了测试，结果完全能达到所要求的性能指标。而且AD9850工作可靠，对参考时钟波形要求不高，输出信号稳定且信噪比高，是一种性价比很高的芯片，正广泛应用于电子测量、跳频通信、雷达系统等领域。
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