低频信号发生器的设计

低频信号发生器的设计

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。文中介绍了一种高性能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0—50

kHz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

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准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1 Hz数量级，许多可达0．001 Hz；(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。

1. 低频信号发生器的组成

图2.7为低频信号发生器组成框图。它主要包括主振器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器和指示电压表等。

（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（5.1 MHz-3.4 MHz）。

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。图2.9为常用输出衰减器原理图，图中电位器RP为连续调节器（细调），电阻R1～R8与开关S构成步进衰减器，开关S为步进调节器（粗调）。调节RP或变换开关S的挡

（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。

2. 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

3. 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 0～10V连续可调。

⑤输出功率 0.5～5W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。

4. 低频信号发生器的使用

低频信号发生器型号很多，但它们的使用方法基本类似

（1）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。

5. AD9850 芯片介绍

AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MHz、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。一360。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—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人器件：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位串行数据流的输入。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D0一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入到频率／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。

6 硬件设计

要产生两路相位正交、频率可由外部控制的正弦信号，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(P1．0一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(P0．0一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位控制字输入端(DO—D7脚)，同时产生相应的DDS时序控制信号(一路复位reset1、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(dk4Om)频率为40 MHz，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、int1)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。该DDS信号源的硬件接口电路如图1所

图1 DDS信号源硬件接口电路

7. 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变换成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，如图2所示。

(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：

reset1：一路DDS复位(一路AD9850第22脚)；

reset7．：二路DDS复位(-路AD9850第22脚)；

w1：一路数据同步(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(P0．0一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(40 M Hz)。

(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。流程图略。

8 结论

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。

9 致谢

通过对低频信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧

参考文献：

【1】高卫东．等．AD9850 DDS芯片信号源的研制【J】．实验室研究与探

索，2000，(5)．

【2】石雄．等．DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口【J】．国

外电子元器件，2001。(5)．

(上

这个不难吧。第一种方案：在单片机里面构造各种波形的数据表，然后用数组来保存。单片机控制给DA的数据的时间间隔就可以控制输出的频率了，为了得到比较精确的频率，可以用定时器控制数据的输出频率啦。幅度的调节可以用双DA来做啊，也就是用另外一块DA来控制数据转换DA的基准电压。第二种方案：用单片机控制DDS芯片啊，比如用单片机控制AD9834，可以产生正弦波、方波、三角波，频率的调节就更简单了。幅度的调节也可以用双DA来实现，也可以先用电阻衰减再用运放放大，这样幅度就可以连续可调了。电路图和程序你确定了方案就可以很容易搞定了，实在不行再联系我吧

基于ICL8038函数信号发生器的设计本设计是以ICL8038 和AT89C2051 为核心设计的数控及扫频函数信号发生器。ICL8038 作为函数信号源

结合外围电路产生占空比和幅度可调的正弦波、方波、三角波该函数信号发生器的频率可调范围为1~100kHz, 步进为0.1kHz, 波形稳定, 无明显失真。

1.系统设计框图如图1 为系统设计框图。本设计是利用键盘设置相应的频率值, 根据所设置频率段选择相应电容, 经计算获得相应数字量送数字电位器实现D/A 转换, 同时与参考电压( 本例为5.5V) 相加后形成数控调压去控制ICL8038 第8 脚, 这样即可由ICL8038 实现对应频率值的矩形波、三角波和正弦波。方波幅度经衰减后送单片机可测得信号源频率并由数码管显示。

2.电路原理图

图2 为电路原理图。其中AT89C2051 是8 位单片机, 其中: P1.4~P1.7、P1.2、P1.3、P3.0、P3.1 作为数

码显示P3.3、P3.5 、P3.7 作为键盘输入口P3.4 作为计数口, 用于测量信号源频率P3.0~P3.2 作为数字电位器的SPI总线P1.1、P1.0 可根据需要扩展继电器或模拟开关选择ICL8038第10 脚( CAP) 与第11 脚间的电容C。

MCP41010 是8 位字长的数字电位器, 采用三总线SPI 接口。/CS: 片选信号, 低电平有效SCK:时钟信号输入端SI: 串行数据输入端, 用于寄存器的选择及数据输入。MCP41010 可作为数字电位器, 也可以作为D/A 转换器, 本设计是将MCP41010 接成8 位字长的D/A 转换器, MCP41010 根据输入的串行数据, 对基准电压进行分压后由中间抽头输出模拟电压, 即VPWO =DN/256VREF ( 式中VREF=5V) 。

函数发生电路ICL8038, 图2所示是一个占空比和一个频率连续可调的函数发生电路。ICL8038是一种函数发生器集成块, 通过外围电路的设计, 可以产生高精密度的正弦波、方波、三角波信号, 选择不同参数的外电阻和电容等器件, 可以获得频率在0.01Hz~300kHz 范围内的信号。通过调节RW2 可使占空比在2%~98%可调。第10 脚( CAP) 与第11 脚间的电容C 起到很重要的作用, 它的大小决定了输出信号频率的大小, 当C 确定后, 调节ICL8038 第8 脚的电压可改变信号源的输出频率。从ICL8038 引脚9(要接上拉电阻)输出的波形经衰减后送单片机P3.4 进行频率测量。

正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性, 可以将三角波信号的上升和下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038 中的非线性网络是由4 级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来, 逼近点越多得到的正弦波效果越好, 失真度也越小, 在本芯片中N= 4, 失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达0.5 左右。其精度效果相当满意。为了进一步减小正弦波的失真度, 可采用图2 所示电路中两个电位器RW3 和RW4 所组成的电路, 调整它们可使正弦波失真度减小。当然, 如果矩形波的占空比不是50% , 矩形波不再是方波, 引脚2 输出也就不再是正弦波了。 图2 电路原理图

经实验发现, 在电路设计中接10 脚和11 脚的电容值和性能是整个电路的关键器件, 电容值的确定也就确定电路能产生的频率范围, 电容性能的好坏直接影响信号频率的稳定性、波形的失真度, 由于该芯片是通过恒流源

对C 充放电来产生振荡的, 故振荡频率的稳定性就受到外接电容及恒流源电流的影响, 若要使输出频率稳定, 必须采用以下措施:外接电阻、电容的温度特性要好外部电源应稳定电容应选用漏电小、质量好的非极化电容器。3.实验结果

当±12V 工作电源时, 输出频率如下表: 失真度情况, 实验数据如下表: 4.软件流程图

图3 为软件流程图。T0 设为计数器,T1 设为定时器(初值为5ms)。5ms 启动主循环, 主要用于键盘扫描及扫描显示, 图2 中K0 作为控制键, K1 作为调整键, K2 作为增加键上电时程序进入频率设置模式, 按一下K0 键程序进入数控模式, 按二下K0 键程序进入扫频模式, 按三下K0 键程序进入频率设置模式, 周而复始。在频率设置模式, 由K1 键和K2 键完成频率设置。图3 软件流程图基于ICL8038的函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。因此，广泛用于仪表之中。一、电路结构函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示，共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 和 ，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和 端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。RS触发器是数字电路中具有存储功能的一种基本单元电路。Q和 是一对互补的状态输出端，当Q=1时， ；当Q=0时， 。S和 是两个输入端，当 时，Q=0时， ；反之，当 时，Q=1时， ；当S=0， 时，Q和 保持原状态不变。两个电压比较器的电压传输特性如下图所示。二、工作原理★当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的 ，输出Q=0， ；★使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为IS1=I因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。★当上升为VCC/3时，电压比较器Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的 ，S=0时，Q和 保持原状态不变。★一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的 时，Q=1时， ，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=I因放电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性下降。起初，uC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但 ，其输出不变。★ 一直到uC下降到VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时 ，Q=0， ，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q和 为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。结论：改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。三、性能特点ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，即将引脚11接地，引脚6接+VCC，VCC为10~30V；也可双电源供电，即将引脚11接-VEE，引脚6接+VCC，它们的值为±5~±15V。频率的可调范围为0.01Hz~300kHz。输出矩形波的占空比可调范围为2%~98%，上升时间为180ns，下降时间为40ns。输出三角波（斜坡波）的非线性小于0.05%。输出正弦波的失真小于1%。四、常用接法如图所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。如图所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为故RA<2RB。 为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如下图所示电路中两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达1000:1。

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