正弦信号发生器的设计与研制

2016-06-18刘荣章广东省机械技师学院广州510450

电子制作 2016年6期

刘荣章　广东省机械技师学院　广州　510450

正弦信号发生器的设计与研制

刘荣章广东省机械技师学院广州510450

【文章摘要】

本文设计了一款新型的简易正弦信号发生器。利用DDS合成技术，以ATmega16为控制中心，通过外部矩阵按键，可以在一定范围内产生任意频率的正弦波信号，由于DDS集成芯片产生的正弦信号幅值比较小，再利用AD827芯片把正弦波信号进行放大。该正弦信号发生器产生的信号不仅精度高，调节范围大，而且产生的波形温度，干扰少，能满足各种场合的要求。

【关键词】

新型；DDS；正弦波；精度高；干扰少

0　引言

正弦波是频率成分最为单一的一种信号，因这种信号的波形是数学上的正弦曲线而得名。任何复杂信号——例如音乐信号，都可以看成由许许多多频率不同、大小不等的正弦波复合而成。由于不同的波形，通过傅里叶变换，都可以变换成由各种频率和幅值的正弦波，所以正弦波在信息传输等领域有着重要的作用，通过产生正弦波来研究和分析其主要的参数特征具有很重要的意义。

1　系统总体设计框图

系统的总结设计框图如图1.1所示，以ATmege16位核心，外接矩阵按钮和LCD显示电路，采用专用的DDS芯片AD9850产生正弦波。AD9850是采用DDS技术、高度集成化的器件，当它在并行工作方式时，有8根数据线、3根控制线与单片机相连。芯片AD9850产生的信号再通过信号放大器AD827把幅值放大到要求的电压幅值。

图1.1　系统框图

2　硬件电路的设计

2.1单片机最小系统

ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。

Atmege16只需要加上复位电路就可以构成一个单片机最小系统，但是如果使用外部晶振，则还需要晶振电路。

2.2DDS集成芯片AD9850

（1）AD9850芯片简介

AD9850采用先进的DDS技术，在内部集成了32位相位累加器、14 位正/余弦查询表和高性能的10 位 D / A转换器以及一个高速比较器。通过并口或串口写入的频率控制字来设定相位累加器的步长大小，相位累加器输出的数字相位通过查找正/余弦查询表得到所需频率信号的采样值，然后通过D / A变换，输出所需频率的正弦波信号。还可以通过高速比较器将该正弦波信号转换成方波，作为时钟信号输出。

另外AD9850还包含40位频率/相位控制字，可通过并行或串行方式送入器件：并行方式指连续输入5次，每次同时输入8位（1个字节）;串行方式则是在一个管脚完成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位用于掉电控制，2位用于选择工作方式。

（2）AD9850模块电路的设计

系统采用并行输入的方式来实现其功能。AD9850控制简单，可用8 位并行口直接输入频率、相位等控制数据。

图2.1　AD9850模块电路及放大电路

在并行输入方式下，通过8位总线D0～D7将外部控制字输入到寄存器，在WCLK（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FQ - 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。

AD9850模块电路图如图2.1所示。

2.3输出放大电路AD827

由于DDS集成芯片产生的正弦信号幅值一般都比较小，为了达到输出端带上50Ω电阻时输出端的电压峰-峰值Vopp≥1V的要求，在DDS模块的输出端接上一级放大电路。为了使系统输出的信号最高频率为15MHz，所用到的运放的带宽必须很宽。选用的是宽带的高速运放AD827，其内部集成了两个运放（AD827）。电路图如图2.1所示。为了消除高次谐波，在放大电路前加入了一级低通滤波电路,其截至频率在20MHz左右。输出信号经过滤波后送到放大电路，通过调节电位器可以得到符合要求的电压幅值。为了提高电路带负载能力后接了一个电压跟随器。

2.4键盘设置输入

2.4.1步进100Hz的按键输入

频率的设置上我们采用了两种频率输入方式，第一种是在固定的初始频率下，采用步进100Hz的方法设置两个按键（UP、 DOWM）。

2.4.2矩阵键盘频率设置输入

矩阵键盘频率设置输入是第二种频率输入方式，它可以随意设置输入频率的大小，减少对单片机IO口的占用，使用灵活，方便。

2.5LCD1602显示输出

本设计采用点阵字符型液晶显示器LCD1602，分辨率较高，显示范围较广，同时支持数字和字符显示。液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。1602通用型液晶模块可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。

2.6电源的设计

由于采用外部开关电源，所以只需要设置电源的接口，在设置电源接口时增加了指示灯和滤波电容，在电源入口处并联了一个0.01uF小电容和一个220uF的大电容，这样可以滤除低频和高频信号的干扰，使电源的电压更加稳定和可靠。