基于AD9851的多功能信号发生器设计

0 引言
    信号发生器是用来提供各种测量所需波形信号的电子仪器，是一种常用的信号源，可广泛应用于自动控制、科学试验和电子电路等相关领域。但在分析电路时，也常常需要了解输出信号与输入信号之间的关系，为此，常用信号发生器来产生信号以激励系统，同时观察和分析系统对激励信号的响应。
    现如今，信号发生器的应用越来越广，同时也对信号发生器的频率稳定度、频率范围和输出信号的频率分辨率提出了越来越高的要求。因此，国内外纷纷采用直接数字频率合成技术来设计制作先进的信号发生器。本文正是基于DDS原理，采用DDS集成芯片AD9851设计并制作出了多功能信号发生器。用该方法设计的多功能信号发生器具有频率稳定、变频快速、幅值稳定、波形失真度低、电路结构简单等特点。

1 硬件设计
1．1 硬件电路整体结构
    信号发生器系统的硬件整体结构框图如图1所示。它主要由单片机控制模块、键盘与显示模块、数字合成模块以及信号处理模块组成。其中，信号的产生由单片机控制模块和数字合成模块实现，键盘与显示模块用来实现人机交互功能，信号处理模块则用来对信号进行后期处理。

    用户可以从仪器面板上的按键输入命令，随后相关数据会显示在液晶显示器上，同时由单片机控制DDS芯片AD9851输出正弦波或方波，再通过后级信号调理电路，输出所需的各种波形信号。
1．2 信号产生与控制电路设计
    信号的产生与控制部分可由单片机STC516RD与DDS芯片AD9851组成。设计中，两芯片可以共用同一个30 MHz晶振。一方面，它可满足单片机的高速工作要求；另一方面，当30MHz从AD9851的REFCLK引脚输入后，可在芯片内部经过6倍频产生180 MHz的时钟信号。在此基础上，AD9851就可以输出较高频率的信号。
    设计电路中，AD9851将采用高速并行接口工作方式，其IOUT引脚外接的输出电阻值为50 Ω，它可由R102的100 Ω与其后接幅度调节电路中电阻链的总电阻100 Ω并联得到。RSET引脚用来设置其内部数模转换器的满度输出电流值。若要使输出电压的峰峰值为0．5 V，而输出电阻是50 Ω，那么，输出的满度电流的峰峰值应为：
   
    从AD9851的使用说明书中可知：RSET=39．93／IOUT，所以，RSET引脚需要接一个3．9 kΩ的电阻。
    IOUTB引脚是IOUT引脚的互补输出端，它可输出与IOUT引脚相同的电流，即10 mA的正弦交流信号。在电路设计时，应在该引脚外接100Ω电阻，以便输出峰峰值为1 V的正弦波电压。该电压可作为AD9851内部高速比较器同相端的输入信号，并通过其外围电路的设计，将比较器的阈值电压取为0．5 V，从而使AD9851输出占空比为50％的方波信号。其信号产生电路如图2所示。

1．3 人机交互电路设计
    本设计采用独立式键盘，即单片机的5个I／O口直接与5个按键相连。5个按键的设置为：菜单选择键MENU，上切换键MU，下切换键MD，数值增加键UP，数值减小键DN。通过按键可对所需信号的频率、幅度及功能进行控制和调节。由于本设计中，系统的外围器件比较多，同时还要兼顾其抗干扰能力，所以，本设计选用液晶显示器OCMJ4×8C。该显示器在受干扰后，经过数据刷新可以恢复正常工作，同时具有可选的串行通信接口，并自带字库，方便可靠。如果将该液晶的PSB输入引脚接低电平，则选择串行工作方式；若将片选引脚CS接高电平，它将始终处于选中状态；设计时应将时钟接入引脚SCLK，数据输入引脚STD和复位引脚分别与单片机的3个I／O口相连，并将背光源正极接+5 V，负极接地。
1．4 信号处理电路设计
    信号处理部分的主要功能是对AD9851的输出波形进行低通滤波、幅度调节和放大。要实现步进值大约6 dB的输出幅度调节，即需使下式中的衰减值为6 dB，可以求得AV＝2，AV是电压放大倍数。
    衰减值=20×lg AV (2)
    由此，电路应该满足相邻两个结点对地的两倍电压差。设计时可利用简单的电阻链结构来构成衰减器，而结点的切换则可以使用模拟多路开关CD74HC4051来控制。
    在设计放大电路时，既要考虑到放大倍数，还要认识到转换速率这个重要因素，因为信号发生器最高输出频率高达20 MHz，所以，应选择增益带宽积相对较高的放大器。基于多种因素的考虑，这里选择LM6264高速集成运算放大器，并将信号幅度放大8倍。
    此外，为了完善系统功能，使其具有较强的实用性，本系统还设计了由铁电存储器FM24C04A构成的掉电数据保护电路，用于保存中途掉电或仪器关机前的状态信息。

2 软件设计
    本系统软件由主监控程序、典型信号产生、人机交互以及定时中断程序等几部分构成。其中主监控程序的任务是识别按键、解释命令，并获得完成该命令的相应模块入口，引导信号发生器进入正常工作状态，协调各部分软件的工作；典型信号产生程序则由STC516RD根据用户输入的频率和相位要求，将计算出的频率控制字传送给AD9851，再由AD9851产生频率相位可控的信号；定时中断程序需要T0和T2定时器同时工作，T0用来定时扫描键盘，T2则工作在16位自动重装载方式，用来定时2PSK、ASK、FSK以及扫频功能中的时间间隔的长短．以及模拟多路转换开关的切换。
    图3所示是系统主监控程序，即系统主程序流程图。

    信号发生器的工作模式可以通过主监控程序中变量state的值进行选择。每种功能的实现则依赖于频率、相位、幅度以及时间间隔的设定，并应综合考虑。
    在数字调制方法中，数字调制的载波是AD9851输出的正弦信号，其频率和幅度均可调，调制波通常是一系列由0和1交替出现的序列信号串。
    信号发生器的工作模式通常有以下几种：
    (1)单频模式
    单频模式是最为灵活的一种，当需要信号发生器输出一个频率固定的正弦波时，通常采用此模式。
    (2)二进制移相键控模式(2PSK)
    该模块是用已调信号载波的0°和180°分别表示二进制数字基带信号的1和0。系统需要产生1和0相互交替出现的调制信号。
    (3)二进制幅度键控模式(ASK)
    即用载波在二进制调制信号1或0的控制下通或断。本系统中，信号发生器产生的1和0可由输出信号幅度的不同衰减值来区分。
    (4)二进制移频键控模式(FSK)
    如果二进制基带信号的1对应于载波频率f1，0对应于载波频f2。那么系统中信号发生器产生的1和0，就可由输出信号频率的不同来区分，输出频率的最大值可为20 MHz 。
    (5)扫频模式
    扫频模式主要用于测量网络的幅频特性。可用示波器直接显示被测二端口网络的频率特性曲线，描绘网络的传递函数。扫频功能的实现需要产生一个锯齿波，设计时可采用数模转换器TLC5615来定时输出步进电压值，由于这个锯齿波同时控制着电子束水平扫描和扫频信号，因此，电子束在示波管荧光屏上的每一水平位置都对应于某一瞬时频率。

3 信号发生器的调试
    对信号发生器产生的信号进行测试，所使用的主要仪器与设备为数字万用表和示波器。其最终的试验平台可由设计好的DDS信号发生器和示波器组成。实验中，所使用的示波器带宽为20MHz。图4所示是该信号发生器在FSK功能下的输出波形，图5所示为FSK模式下的LCD菜单显示图。其输出信号的时间间隔为10 ms，衰减为0dB，输出峰峰值4 V，交替变化的两个频率值分别为11718．1 Hz和635．7 Hz。

4 结束语
    本文设计的多功能信号发生器可实现定频、扫频、2PSK、ASK、FSK等5种基本功能，而且操作简单，显示直观，有一定的实用价值，可以用作高校低成本高精度信号发生器使用。事实上，现今高速集成电路的发展进一步改善了DDS的性能，可以预见，未来的DDS不仅可以用于实用信号源的传统领域，还将开拓许多新的应用领域。