基于信號發生器的研究

李楊華

【摘 要】本文中的信號發生器以AD公司的AD9850直接數字合成芯片為核心，用Atmel公司的單片機AT89S51對AD9850進行控制。設計出了系統硬件電路的系統框圖，并使用multisim軟件對部分硬件電路進行了仿真。本系統能夠實現正弦波、方波、三角波的輸出，以及幅值的調節。實驗表明，此信號發生器工作穩定，易于實現，輸出頻率分辨率高，可以滿足實際應用中不斷提高的要求。

【關鍵詞】信號發生器，Multisim ，AD9850

在工業自動化系統中，經常要用一些信號作為測量基準信號或輸出信號。隨著工業的發展，對信號的保真度、頻率的穩定性、準確性、幅值的穩定性提出了越來越高的要求，作為電子系統必不可少的組成部分的信號源，在很大程度上決定了系統的性能，因而常稱之為電子系統的“心臟”。 信號發生器是一種常用的信號源，廣泛應用于電子電路、自動控制和科學試驗等領域[1] . 它是一種為電子測量和計量工作提供符合嚴格技術要求的電信號設備，幾乎所有的電參量的測量都要用到信號發生器。然而在電子技術領域中經常用到的信號發生器，長期以來都是被模擬電路統治著。這類信號源頻率可達幾百兆赫，在高頻范圍內其頻率穩定度高、可調性好?？墒窃谠S多測試設備或是數字系統中常常需要用到低頻信號源。由傳統的方法構成的低頻信號源，其性能不能令人滿意。而且用于低頻，其RC要很大，大電阻、大電容制造有困難，參數的準確度難以保證，體積大、漏電損耗顯著。

本課題的設計目的就是為了解決傳統信號發生器所存在的問題，選擇一種合適的方案，設計一種以單片機技術為基礎的，可以對輸出頻率進行控制，在低頻情況下實現三種波形信號輸出的數字信號發生器。

一、系統硬件電路的設計

設計的整體設計思路是：用單片機AT89S51作為控制系統，對DDS芯片AD9850進行控制，由AD9850內部的DAC輸出端口輸出正弦波，外接雙極性輸出的I/V轉換電路，將AD9850內部的DAC輸出的電流信號轉化為可以調節的電壓信號，對輸出信號的幅值進行精確控制，經低通濾波器，濾去雜波后從AD9850的內部比較器的輸入端輸入AD9850，則可從其比較器的輸出端輸出方波，再接一個積分電路則可將方波轉化為三角波，實現三種波形的輸出。同時通過雙極性輸出的I/V轉換電路可以實現對輸出電壓的控制。整個硬件電路由數字開關、單片機、數據鎖存器、系統時鐘電路、信號發生電路、幅值調節電路、低通濾波器以及波形轉換電路幾部分組成。將單片機AT89S51的P1口作為輸入端口，外接八個數字開關及八個發光二極管，八個數字開關用來實現對單片機控制信號的輸入。通過編寫軟件，不斷讀取P1口的值，當任意數字開關按下時，單片機 將其所對應的控制字由P0口輸出，經過數據鎖存器發送給AD9850。單片機的P3口作為控制端口，用來控制和輸出AD9850的控制字裝入時鐘W_CLK和頻率更新控制時鐘FQ_UD以及AD9850的復位端。由DDS芯片產生的正弦波信號經I/V轉換電路可以將電流信號轉化為電壓信號，同時可以實現對輸出波形幅度的控制和調節，經低通濾波器濾除雜波后由OUT1端口輸出正弦波，由OUT1輸出的正弦波信號再經AD9850內部的比較器后由OUT2端口輸出方波，在經過積分電路即可輸出三角波形。

二、系統的技術指標

（1）輸出頻率范圍：1Hz—1MHz

（2）分辨率：0.1% FSR

（3）幅值變化范圍：-10V—10V

（4）輸出波形：正弦波、方波、三角波

三、利用 multisim仿真軟件對低通濾波電路進行仿真

（一）當輸入一個450kHz的正弦信號時

經過二階低通濾波器后的波形如圖2所示，圖形未失真，經過同相放大電路后，又將信號放大2倍且并未發生失真如圖3所示。

（二）當輸入一個1MHz的正弦波信號時

低通濾波電路的輸出波形仍未失真，但是當繼續加大輸入信號的頻率時，經低通濾波電路輸出的波形將會發生失真，因此，可得出此低通濾波電路的截止頻率為1MHz，這與技術指標是想吻合的。

四、硬件電路設計過程中應注意的問題

由于本次設計既有數字電路又有模擬電路，因此地線的走向和排布非常重要。因為數字地上的各種雜散干擾很強，一旦通過地線串到模擬地，會嚴重影響模擬電路性能。為了防止數字電路噪聲竄入模擬電路而影響其性能，數字地（DGND）網絡和模擬地（AGND）網絡在電路中盡量物理分開，兩地線網絡之間采用單點接地，盡量加大模擬電路的地線面積，數字電路接地則盡量構成環路，從而減小電路中的電位差值，提高抗噪聲能力。

參考文獻：

[1][英]A·M·魯特金.常用電子測量儀器的使用[M].謝瑞和，黃志良，王觀蘭譯，電子工業出版社，1985年7月第一版。

[2]朱曉斌.電子測量儀器[M]. 電子工業出版社，1996：23-35。

[3]吳文全，葉曉慧. μΩ級小電阻測量方法研究..電測與儀表，2003。

[4]王禹橋，李威，嚴旭. 基于C8051F005單片機的小電阻測試儀.微計算機信息，2004，09。