一种基于DDS的幅值可调信号发生器的设计

l 引言
    信号源发生器广泛应用教学实验和科研工程。直接数字频率合成技术(DDS)具有频率分辨率高、切换速度快、输出信号相位连续、可输出任意波形信号、能够实现全数字自动化控制等优点，使其已成为雷达、通信、工程设计等系统信号源的首选。在扩频和跳频系统、数字广播、高清晰度电视、线性调频以及仪器仪表以及电子测量等领域，DDS已经逐步成为高性能信号源发生器的核心技术。本文提出了一种基于AT89S52和AD9850的交变信号源发生器的设计方案，其调幅电路采用TLC5615，简化电路设计，改进当前幅值可控信号源电路设计，提高了控制精度。

2 系统组成
    本系统设计是以单片机AT89S52为控制器，以微处理器应用技术和DDS AD9850技术为核心，通过微处理器控制AD9850，实现频率预置、控制字的设置等功能。AD9850实现信号发生器功能，微处理器控制D／A转换器TLC5615，从而控制乘法器AD534，实现正弦信号幅值的可调性。系统硬件电路设计由单片机系统控制电路、正弦信号发生器功能电路、幅值调制电路、滤波电路和功率放大电路等组成。系统结构框图如图1所示。

3 功能模块设计
3．1 信号发生模块
    采用ADI公司的DDS器件AD9850，单片机作为控制器实现频率合成与控制。AD9850内部集成有1个32位相位累加器，1个正弦查询表和1个10位高速数模转换器，相位累加器是核心。该器件的最高时钟参考频率为125 MHz，最低时钟参考频率为1 MHz。当系统时钟低于最低时钟频率时，系统自动进入休眠模式。AD9850内部含有40位数据寄存器，其中32位频率控制字，5位相位控制字，l位电源休眠控制字，2位厂家保留。40位控制字可并行或串行送入。AD9850的输出频率fout由输入参考时钟和32位频率控制字决定，即fout=△phase×fclk/232。其中△phase是32位频率控制字，fclk为输入参考时钟频率。
    图2是信号产生电路，本系统设计通过并行端口控制内部寄存器，采用外部12 MHz参考时钟输入。DAC的满刻度输出电流为20 mA，当IOUTB和IOUT引脚输出的满刻度电流为10 mA时，输出信号的无杂散范围性能最佳。权衡后，在IOUTB和IOUT引脚上分别连接一只0．1 kΩ的电阻，这样AD9850输出正弦信号的峰峰值为l V。此时电路输出为所需正弦波，但需对该正弦波进行调整才能满足实际设计需求。

3．2 幅值调节模块
    由于AD9850输出的正弦信号只有固定幅值，无法满足幅值可调。因此利用可编程放大器实现幅值控制。但这种方法只能实现倍数调节，而无法实现高精度连续调节。本设计正弦幅值控制要求必须连续可调，要高精度，因此采用D／A转换器TLC5615控制AD534的输入信号，实现幅值连续调制。TLC5615是串行10位D／A转换器，最大输出电压是基准电压值的2倍，具有上电复位功能，只需3条串行总线就可完成10位数据的串行输入，易于与工业标准的微处理器或微控制器接口连接，简化电路设计。TLC5615的输出函数VKZ=2×VREFIN×D／210，其中VREFIN为参考电压，本设计VREFIN为2．5 V；D为频率控制字，根据需要软件可编程设置。微处理器控制TLC5615，实现10位幅值调节，精度达O．005 V。
    AD534是低漂移的单路放大器，具有较宽的工作频带和较小的差错率，输入信号为差分(双端)输入方式，即只有差分信号才能进入放大器滤除共模信号。其传输函数VO=(X1—X2)(Yl一Y2)／(10V)+Z2。本系统X2、Y2与Z2全接地，两路相乘信号改为单端对地输入，线性控制输出电压制。其输出电压为：VOUT=VDDS×VKZ=2×VREFIN×(D／210)×VDDS。其中VOUT为幅值调节模块输出，VDDS为AD9850输出，由于AD9850输出幅值为l V，因此VOUT是由TLC5615决定实现幅值可调。其电路如图3所示。

3．3 滤波模块
    AD9850输出的正弦信号含有直流分量，而系统设计要求无直流分量输出，因此需要高通滤波。AD9850内部无低通滤波器，内部D／A转换及系统时钟等可能产生高频噪声，因此DAC输出的正弦信号中不可避免的含有高频噪声。为了防止高频干扰使磁场产生紊乱，形成测量误差，应在信号输出端口加入低通滤波抑制高频干扰，这样两者就形成了带通滤波。在硬件电路测试时，直接设计的有源带通滤波器在通频带内的幅值波动较大，一致性差，不能满足应用要求。根据实际要求设计二阶有源压控电压源型高通滤波器与一阶低通滤波器相串联的滤波电路，其中系统的通频带范围为50 Hz～3 kHz，放大倍数为2，Q值为1。其带通滤波电路如图4所示。

4 软件设计
    系统软件设计采用C语言编写，相对于汇编语言而言，C语言对机器底层硬件操作方便，模块化程度高，可读性与可移植性好。该软件设计完成信号发生器所有功能的管理，由初始化模块、功能模块两大部分组成。初始化模块用于各个硬件寄存器、数据寄存器、显示元件的初始化。
    功能模块是由显示模块、键盘输入模块和信号发生模块3部分组成，其中键盘模块主要用于设置频率、相位和幅值。系统软件设计流程图如图5所示。

5 结语
    本系统设计是以AD9850和TLC5615为核心解决了信号发生器幅值可调问题。在交变磁场测量仪的应用中产生较为理想的波形数据，且波形平滑，无明显毛刺，其幅值调节精度可达0．007 V。目前信号发生器具有广泛的应用前景，但在精度方面还需进一步改进提高。