基于DDS技术的正弦交流信号源的设计

摘要：以设计和实现可以进行功率输出的正弦波信号源为目的，提出了一种基于DDS技术，以单片机为控制核心、AD9850芯片为频率合成器的正弦交流电流信号源的设计方法。该正弦交流电流信号源可以产生频率稳定且频率范围为1～100 Hz，电流幅值可调的正弦电流信号，具有一定的带负载和功率输出能力。该产品创造性地运用单片机向D／A写入电压控制字的方式间接控制和改变AD公司生产的AD603芯片对正弦波信号电压幅值的增益，实现对于同一负载输出交变电流的有效值可调节的功能，为同类信号源产品的功能改进开辟了新的思路。
关键词：DDS AD9850；正弦波；信号源

0 引言
    直接数字合成技术(Direct Digital Syn-thesizer，DDS)是一种用数字控制方法，从一个参考频率源产生多种频率的技术，这种合成技术具有换频速度快、分辨率高、相位噪声低、信号纯度高、可控制相位等优点，被广泛应用于航空、航天、通信、雷达等领域。美国AD公司推出的高集成度的频率合成器AD9850是DDS技术的典型产品之一，AD9850是高稳定度的直接数字频率合成器件，内部包含数据输入寄存器、频率相位数据寄存器、可编程DDS系统、高性能数／模转换器(DAC)和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。如在AD9850上接入精密时钟源，可产生一个频谱纯净，频率、相位都可编程控制的正弦波信号。本文基于DDS技术的原理和AD9850芯片的优良性能，设计并论述了一种可产生一定频率，可调范围为0～100 Hz的正弦波信号，且具有一定的带载能力，电流幅值可调节(最大可控制输出电流幅值为1 A)的交流信号源。该产品相比于以往的同类产品，进一步改进了其性能，有频率可调、信号稳定的优点，并创造性的使用单片机对D／A的控制，间接实现了对输出电流幅值的调节，从而实现了可调节的功率(电流)输出。

1 正弦交流信号源的整体设计思路
    该信号源以AVR的ATmega16单片机为核心、AD9850芯片为主体，采用HD7279芯片作为键盘、显示接口。用户可用键盘设定信号频率和输出电流的数值，由单片机将设定频率转换为AD9850的频率控制字并送给AD9850，产生相应频率的正弦波信号，同时单片机将对A／D采集到的电流值与用户设定值进行比较，对输出电流进行闭环反馈控制，最终将输出电流调节为设定值。电路中的低通滤波电路可以有效滤除频率过高的信号，输出环节中设有放大环节和有源滤波环节，可以有效保证正弦波电流信号的带载能力和频率的纯正。电路中还设有信号调理电路，用于将电流互感器测得的交变电流信号电位调整为单片机A／D模块模拟输入的点位。该产品的整体结构图如图1所示。

2 硬件电路设计
2．1 ATmega16单片机的选用
    该信号源采用AVR的ATmega16单片机，在结构上，该款单片机由两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器／计数器，一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器／计数器，具有独立振荡器的实时计数器RTC，4通道PWM，8路10位ADC，8个单端通道，TQFP封装的7个差分通道，2个具有可编程增益(1x，10x，200x)的差分通道，面向字节的两线接口，2个可编程的串行USART，可工作于主机／从机模式的SPI串行接口，具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器，片内模拟比较器等组成。
    在性能上，该款单片机具有高性能、低功耗的8位AVR微处理器，先进的RISC结构；具有131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器，全静态工作；具有非易失性程序和数据存储器，16 KB的系统内可编程FLASH；具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程；真正的同时读／写操作；具有512 B E2PROM，1 KB的片内SRAM，可以对锁定位进行编程。
    运用ATmega16单片机实现对AD9850的控制编程简便，接口简单，成本较低，同时该款单片机体积较小，易实现小型化。因此采用AVR ATm ega16单片机作为该系统的控制核心来向AD9850发送控制字。在本产品中，单片机接人的晶振频率为7．3728MHz。
2．2 AD9850芯片接口电路的设计
    AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，由1个加法器和1个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表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°～360°范围的一个相位点。查询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DAC输出模拟量。
    AD9850有40位控制字，32位用于频率控制(低32位)，5位用于相位控制，1位用于电源休眠(Power-down)控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行或串行方式输入到AD9850。本产品采用并行装入方式，通过8位总线D0～D7将数据输入到寄存器，在W_CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，在重复5次之后再在FQ_UD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率／相位数据寄存器(更新DDS输出频率和相位)，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。其中AD9850的频率控制字数值的计算公式为：
    fOUT=(△Phase×CLKIN)／232        (1)
    AD9850芯片的接口电路设计图如图2所示。图中数据线DB0～DB7通过总线与ATmega16单片机的PB0～PB7相连，用以单片机向AD9850写入频率控制字；W_CLK和FQ_UD分别接在单片机的PA6和PA7上，用于并行通信中时序和传输的控制。该产品的设计输出频率范围为1～100 Hz，选用晶振为50MHz。

2．3 滤波电路的设计
    采用DDS技术的信号发生器具有良好的频率分辨率和快速、连续的变频性能，带宽也相对较宽，但是，DDS技术有一个明显的缺点，输出频率越接近时钟频率的1／2，采样点数就越少，输出地杂散干扰就越大。所以必须要为DDS设计低通滤波器，以提高输出正弦波频率的稳定性和输出波形的质量。

    在该信号源的设计中，设有两个低通滤波器模块，分别采用以LC并联谐振为原理的无源低通滤波器和以集成运放为基础的RC低通有源滤波器，其电路分别如图3，图4所示。无源低通滤波器用于滤除AD9850产生的直流正弦信号波中的杂质频率，有源低通滤波器用于滤除经放大环节和电容隔直通交所产生的正弦交流信号中的杂质频率。由于本产品的设计频率范围为1～100 Hz，故在图3所示的无源低通滤波器中采用两级LC并联结构，其上限频率分别为200 Hz和100 Hz，用来滤除超过100 Hz的谐波，在图4所示的有源低通滤波器中，依据公式：
    fL=1／(2πRC)     (2)
    可确定上限频率为100 Hz的有源低通滤波器的R，C参数的选择。
2．4 信号放大环节电路设计
    为了保证本产品产生的交流信号具有带载能力和功率输出能力，必须对AD9850芯片产生的经过低通滤波后的正弦直流信号进行放大。在本环节中选用AD公司的AD603芯片，这是一种低噪声、电压控制增益的新型运放，其传输带宽高达90 MHz，增益最高可达51 dB，最低达-11 dB，具有良好的性能。并用受单片机控制的D／A输出一定范围的电压对其增益进行控制，以达到输出电压幅值可调节的功能，即采用单片机以电压控制字控制D／A的电压模拟输出，从而达到调节AD603的增益，进而达到了调节电压幅值的效果，对于同一负载，即电流的幅值是可变的。
    D／A选用DAC0832芯片，这是一个8位分辨率的D／A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个D／A芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D／A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D／A转换电路及转换控制电路构成。将DAC0832的片选信号CS接单片机的PC7，将XFER接PA1、ILE接PA2、WR1接PA3、WR2接PA4，将DAC0832的8位数字输入分别与单片机的PB0～PB7相连接，用于单片机向D／A写入电压控制字，使用单片机控制DAC0832给AD603芯片差分输入高电平端GPOS管脚输入0～5 V的电压，可以调节AD603的增益为21～51 dB,，最终可使输出端空载时的电压峰峰值在2．24～4 V的范围内无失真缩放。
2．5 交流输出放大环节电路和信号调理电路设计
    为了保证该交流信号源具有一定的电流输出能力和带载能力，在利用电容的隔直通交性质将AD9850产生的直流正弦信号变为交流正弦信号后，应对电压进一步放大，这样可以保证输出端口接入不同的负载均有一定的电流输出。在本环节中选用德州仪器的OPA548运放，这是一款功率运放，最大可以持续输出3 A的电流，可以在有效放大电压的基础上通过大电流。

    在输出端口上设置有电流互感器，用于电流值的采样，采样电流值通过信号调理电路接入AVR单片机A／D模块的模拟输入端。AVR ATmega 16单片机的模拟输入端口的输入电压范围是0～4．6 V，所以必须对电流互感器采集来的信号进行电平转换，接入单片机的A／D模拟输入接口。图5为信号调理电路的设计图，采集来的电压信号经过电压跟随器的隔离和缓冲作用后，经反向放大电路和求和电路将信号的电平调整为0～4．6V。

3 系统软件流程设计
3．1 总设计流程图
    系统软件总设计流程图如图6所示，系统软件由系统初始化程序、按键中断服务程序、AD9850控制程序、显示子程序、电流闭环调节程序等模块组成，均由C语言编写而成。对于本产品而言，其特色之处在于按键中断服务子程序和电流幅值闭环调节程序的设计，成功地实现了频率可调可显示，并在电流值可调可显示的基础上，实现了一定的控制精度。

3．2 按键中断服务子程序流程的设计
    在按键中断服务子程序中，软件系统依托键盘显示接口HD7279芯片，设定了以下功能：具有模式转换键，可以在频率显示与电流显示之间进行切换；具有设定按键，可在显示模式和设定模式下进行转换，且设定位闪烁；设有“+1”、“-1”、左移键，可以设置不同位上的数值；具有确定键，在设计结束后可以将设定值送入单片机处理；具有复位键，可以实现复位，恢复初始化设置。设计流程如图7所示。

3．3 电流幅值闭环调节程序流程设计
    该环节利用定时器的定时器控制采样间隔，将采样值储存在一个数组变量中，当采集完一个信号周期规定的点数后，计时器产生中断，单片机对数组进行处理，计算出产生的正弦交变电流的有效值，并与设定电流有效值进行比较：如果电流设定值连续20次等于实测计算值，则该环节结束，程序继续向下运行；若电流设定值不等于实测计算值，清零电流相等标志位IE；若电流设定值大于实测计算值，则令D／A的电压控制字加1，反之则减1。单片机将电压控制字写入D／A，以调节电流幅值的大小，然后反复进行测量，与设定值对比，直至相等20次之后。程序设计流程图如图8所示。

4 测试与结果分析
    在此对设计的交流正弦信号源输出波形的频率使用数字示波器进行测试，设计频率范围为1～100 Hz，具备频率设定功能，且频率步进可分为1 Hz和10 Hz两个档位，测试数据表如表1所示。

    从表中的数据分析可以看出该信号源即使在较低的频率也能具有较高的信号稳定度。
    在电流幅值调节测试中，使用2Ω／10W的大功率电阻作为测试负载，输出电流有效值可在1～999 mA范围内以1 mA步进调节设置，由于采用闭环系统控制电流幅值，输出电流有效值稳定度可达10-3。

5 结语
    本文基于DDS技术设计了一款正弦交流信号源，采用单片机和AD603等产生的信号稳定度高，达到了预期目标。