基于DDS的正弦信号发生器的设计

摘要：文章介绍了一种基于DDS的正弦信号发生器的设计方法，对此正弦信号发生器的硬件部分进行了详细的论述，并给出了系统的软件流程框图。仿真及硬件验证的结果表明，此正弦信号发生器精度高，抗干扰性好，可作为一般的正弦信号发生器使用。此设计方案具有一定的实用性。
关键词：STC89C52；AD9850；正弦信号发生器；DDS

0 引言
    在电子工程、通信工程、自动控制等领域经常用到正弦信号发生器，传统的正弦信号发生器通常有两种：一是由分立元件和集成的信号发生芯片构成；二是基于FPGA技术。前者往往存在工作频率低、功能少、精度不高等缺点。后者虽然实时性好，能满足复杂波形的大数据量的传输要求，但是设计复杂、成本较高。应用DDS芯片设计的正弦信号发生器具有相对带宽较宽、频率转换时间短、频率分辨率高等优点。因此本文着重介绍了基于DDS技术的正弦信号发生器的设计。

1 系统总体设计
    本系统设计主要包括硬件设计和软件设计两部分，均采用模块化设计方法。其中硬件设计主要包括信号发生模块、微控制器、显示模块、数据输入模块、外围电路等实现内容。软件设计包括AD9850操作模块、液晶显示模块、键盘模块等。系统结构框架图如图1所示。

    信号发生模块接收微控制器发送过来的频率控制参数和命令，产生不同频率的正弦波。信号发生模块产生的正弦波幅度很小，并随所产生的信号频率不同，输出的频率也有很大的变化，故需要一个宽频的放大电路对其产生的正弦波信号进行放大，并对信号进行低通滤波；此正弦信号发生器选用12864液晶与微控制器相连，实现信息的显示。键盘可以实现输入频率参数和命令。

2 系统硬件设计
    此系统硬件电路设计共分为5大部分，分别是信号发生模块、微控制器、显示模块、数据输入模块以及外围电路。
2．1 信号发生模块
    DDS芯片选用AD9850，在精确的时钟源作参考频率源时，AD9850能产生一个频谱很纯的频率或相位可编程的模拟正弦波输出。AD9850具有32位频率控制字和8位的相位控制字，具有输出频率相对带宽较宽(输出频率带宽为系统时钟频率的50％)，频率转换时间短(当系统时钟频率为125MHz时，转换时间约为0．1μs)，频率分辨率高(系统时钟频率为125MHz时，分辨率小于0．03Hz)等优点。
2．2 微控制器
    本设计的微控制器采用的是STC89C52，具有功耗低、抗干扰性强、结构简单、易于开发等优点，且支持在线系统编程、无需编程器、方便系统的开发和维护。系统工作时，单片机将频率控制参数和命令发送给AD9850，AD9850接收到命令后，即可产生相应频率的正弦波信号。  AD9850与单片机之间采用并行接口方式或串行接口方式，在本系统中，采用了串行接口方式实现DDS与单片机的连接。STC89C52与AD9850的接口电路如图2所示。

2．3 显示模块
    此次设计选用了12864的图形液晶显示模块与单片机相连接，从而实现信息的显示。12864LCD具有显示内容大、显示丰富等优点，能实现良好的人机界面、接口简单、性能好、控制方便、显示效果好。
2．4 数据输入模块
    为了提高单片机的资源利用率，按键部分使用矩阵(4 x 4)键盘。这种方法在开关数量多的情况下可以节省很多的接口，并且提高系统接口的利用率。
2．5 外围电路
    外围电路主要包括低通滤波电路和放大电路。由于DDS芯片输出的信号实际上是经过D／A转换器得到的信号，该信号中包含有高频成分，为了减小和抑制该高频信号分量，在DDS后接低通滤波器对该信号进行滤波。该设计中采用两级LC低通滤波器，电路如图3所示。

    DDS直接输出的信号幅度最大不超过2V，经过滤波器滤波后还不到1V，为了满足需要，必须有放大电路。在此选用了由OP07组成的放大电路，电路如图4所示。

3 系统软件设计
    本系统软件主要有三个模块：AD9850操作模块、液晶显示模块、键盘模块。其中AD9850模块主要完成对AD9850的初始化和输出相应的频率控制字；液晶显示模块完成对频率的显示；键盘模块用来设定信号的输出频率。主流程图如图5所示。

    液晶显示流程和键盘扫描流程分别如图6、图7所示

4 系统测试
    在波形输出端接YB5400系列数字存储示波器，检测该系统是否能产生标准的正弦波，检验设定的频率和该系统实际输出的波形的频率是否一致，记录三次测试结果。

5 结束语
    由于采用了STC89C52作为控制器，其灵活的接口、简单的结构保证了系统能稳定地工作，提高了系统的稳定性。采用AD9850作为信号发生模块，保证了系统的高精度。此设计方案可以改善现有的正弦信号发生器结构复杂、成本高等问题，输出的波形失真率低。可以作为一般的正弦信号发生器使用。