基于SPCE061A与AD9851的低频可控信号发生器设计

随着科技的发展，普通性能的单一波形发生器已经越柬越不能满足实际的需求。要实现性能复杂的及波形多样性的发生器，DDS直接数字频率合成技术使用在信号发生器设计中，相较与传统频率合成器，具有低成本、低功耗、分辨率和快速转换时间等优点。其中频率分辨率高，体现在输出频点多，可达2个频点(N为相位累加器位数);频率切换速度可达μs量级;可输出宽带正交信号，且输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用。

1 系统设计方案

本系统主要由SPCE061A微处理器模块、LCD液晶显示模块、1×8 LED键盘模组、DDS数字频率合成模块、波形转换模块、幅度控制模块及电源模块等电路模块组成。

系统采用凌阳SPCE061A开发板作为核心处理器件。主单片机主要控制DDS芯片AD9851工作，产生预置频率和相位的正弦信号，输出信号经低通滤波得到纯净的正弦波，再经电流放大级高频放大抬高输出电压幅度。本系统采用一路模拟开关AD7802控制正弦波等的输出，并通过键盘模块按键触发控制频率步进。主处理器同时还控制LCD同步显示输出波形频率及幅度大小。从处理器用于控制峰值检测、自动增益控制等。具体系统框图如图1所示。

1.1 系统硬件设计

1.1.1 SPCE061A单片机控制单元

单片机控制单元是整个系统的核心，通过SPCE061A控制信号产生单元、按键电路、显示电路、波形转换电路及幅度控制电路。

1.1.2 直接数字频率合成模块

AD9851是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器。本文主要采用SPCE061A控制AD9851频率控制字实现频率合成，并经低通滤波器滤除噪声和杂散信号，最终得到比较纯正的正弦波信号。同时，调制后的正弦波信号通过主SPCE061A A/D采样后，并行输入改变DDS芯片频率控制字，便可实现调频，基本不需要外围路，且最大频偏可由软件系统任意更变。通过设置放大部分反馈电阻控制输出电压幅度，并使输出幅度在0～5 V范围内可调。DDS原理图如图2所示。

正弦信号发生电路如图3所示。

1.1.3 正弦波，方波，三角波分时显示模块

该模块选用模拟开关AD7502分时显示正弦波、方波和三角波，AD7502单芯片CMOS双路4通道模拟多路复用器，为可程控模拟开关，它根据2个二进制地址输入和一个使能输入的状态，将2路输出总线切换至8路输入中的2路，功能框图如图4所示。本系统选择1路信号输出，正弦波、方波、三角波分别由S1、S2、S3输入，OUT1控制其输出，单片机通过控制A0、A1和EN控制3路信号输出。EN=1时，A0A1=00输出为方波，AOAI=01输出为三角波，A0A1=10输出为正弦波。波形发生模块电路如图5所示。

1.1.4 信号放大模块

由于DDS信号在加负载的情况下，信号的幅度稳定性比较差，所以首先提高DDS信号的负载能力，可以通过电流放大来实现，然后经过后级电压放大完成。如图6所示，用电流放大器OPA2652，再通过高频放大器THL4001作为后级电压放大。首先将DDS的输出电流用电流放大器OPA 2652放大，提高DDS的负载能力，受高频的影响也就相应地减小，输出电压相对稳定，然后通过THL4001高频运放放大达到设计要求。

具体电路原理图如图7所示，OPA2652是高增益带宽积电流放大器，其增益带宽积为700 MHz，最大输出电流为100 mA，足够放大10 MHz的信号，能够很大限度地提高电路的带负载能力。DDS信号首先经过R5和R6分流，然后进入OPA2652放大器同相放大，增益由电位器RF控制。由于是电流放大，所以OPA2652的典型电路上的电阻值都比较小。在实际电路制作时，理论值49.9 Ω电阻用51 Ω的代替，402 Ω的电阻用两个200 Ω的电阻串联代替，175 Ω的电阻用150 Ω和27Ω的电阻串联代替。为了降低电源热噪声干扰，电源经过0.1μF和6.8μF的电容接地进行滤波，正负电源之间接0.1μF的去藕电容。后级放大采用单通道、低噪声、增益变化范围连续可调的可控增益放大器THS4011，增益带宽积带宽为270 MHz，其增益带宽可以达到270 MHZ(±4.5 V～1 5 V供电)，并且在60 MHZ的带宽内频率特性曲线很平坦(0.1dB，G=1)。THS4011的连接方法很多，可以正项输入，也可以负项输入，本系统采用正项输入法，负项通过RC回路接地，降低电路本身的噪声，从而实现信号放大功能。

1.1.5 幅度控制模块

该模块采用SPCE061A单片机控制正弦波幅度。SPCE061A自带的ADC、DAC无需外部扩展，由AD9851输出的正弦波信号通过信号抬高电路进入微处理器进行A/D转换，将模拟信号转换为数字信号送入DAC芯片AD7805，AD7805再将数字信号转换为正弦波输出。人机界面，单片机内部D/A将一定数字信号转换为模拟电流输出，输出的电流信号再通过外部电路转换为电压输出，通过控制AD7805的参考电压Vref控制正弦波输出幅度。幅度控制电路如图8所示。

1.1.6 键盘与显示模块

键盘是人工干预单片机进行控制的重要手段，可以实现向单片机输入数据、传送命令、切换功能等。此模块SPCE061A主要用于信号采集，并选用凌阳1×8 LED键盘模组，按键控制频率步进及频率选择。在显示模块上采用128×64 LCD的液晶屏作为波形类别、频率大小和电压幅度的显示终端，键盘与LCD在单片机应用系统中构成良好的人机交互界面。

1.1.7 电源电路模块

因为AD9851的工作电压为3.3 V，AD7502的工作电压为15 V，THL4011的工作电压为12 V，所以系统需要多个电源。采用可调三端稳压器输出3.3 V和15 V电压供给DDS芯片及AD7502，用LM7905稳压芯片提供+5 V稳定电压，用LM7812芯片为THL4011提供12 V的稳定工作电压。

1.2 软件设计

系统软件部分主要包括了具有友好界面的操作菜单、各种信号的设置和控制等。系统主要使用C语言编程，SPCE061A主程序用于控制AD9851频率合成和人机对话控制。40位数据分五次发送，系统以按键形式控制信息输入，单片机在获取按键信息后，按照优先级别设计处理不同的状态，按照如图9所示的程序流程图，对系统进行控制。从单片机程序主要负责波形信号的A/D转换，然后通过7528由主程序控制输出信号电压峰峰值。主次分明的设计，使层次化程序的通用性与适应性进一步增强。在人机界面上，力求界面的防弹性，做到输入错误的保护，使整个系统的操作十分人性化。

2 测试数据结果与分析

当接1 kΩ负载时，输出三类波形在不同频率下的电压幅值变化测试结果如表1～3所列。

由以上测试数据看见当带1 kΩ负载时，输出电平幅值除方波外满足幅度Vpp=(0～5 V)±0.1 V，而电压均出现一定误差。

在输出为50 Ω负载的条件下，对输出信号频率做步进测试，经测试输出电压幅度范围：0.01～6.34 V。完全满足输出电压峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V要求。10 Hz～1 kHz范围内频率步进10 Hz，测试数据结果如表4所列。

在10 kHz～1 MHz范围内步进1 kHz，测试数据如表5所列。

由以上测试结果可知，系统在带负载能力上效果良好。在输出为50 Ω负载条件下效果明显。且在10 kHz～1 MHz频率范围内系统驱动能力强，且能满足输出电压峰峰值Vpp=(0～5 V)±0.1 V。

由示波器输出波形可以看出，波形干净、清晰、无任何干扰。由波形看出，本设计符合性能指标要求，且输出波形平滑，无明显失真。在实际应用中，有一定的使用和推广价值。