武昌理工学院学报２０１６年第４期 第１１卷第４期 总第３９期 基于ＤＤ￥的信号发生器设计 天平巴玲 吴艳玲 （武昌理３＿－学院， 湖北武汉４３０２２３） 摘要：本系统以单片机８９Ｃ５１与ＦＰＧＡ为控制核心，采用ＤＤＳ（直接频率数字频率合成）技术，Ｄ／Ａ转换电路 及滤波电路，设计了一个高频率稳定度、高精度的信号发生器。单片机向存储器写波形表，控制频率、幅度步进以及 人机交换。ＦＰＧＡ集成了ＤＤＳ、键盘扫描等功能模块。Ｄ／Ａ转换模块采用ＤＡＣ０８３２，可将波形表内数据输出为所需要 的波形。输出波形可以在正弦波与方波及三角波间切换，并能由键盘设置频率值，还能完成步进和扫频的功能。 关键词：ＤＤＳ；单片机；ＦＰＧＡ 中图分类号：Ｇ６４０ 文献标识码：Ａ １信号发生器设计原理 率作用于计数器，使其能循环计数。采用ＦＰＧＡ与单 片机相结合的方式实现对频率的控制，利用ＦＰＧＡ 本设计在分析直接数字频率合成器（ＤＤＳ）工作 产生一个相位累加器，通过相位累加器和固定时钟 原理的基础上，以８９Ｃ５１单片机和ＦＰＧＡ芯片为主要 脉冲取样的相位寄存器组成。 硬件进行设计。该系统主要包括：波形生成、频率控 经过论证比较，ＤＤＳ与锁相环方案相比，无需 制、数模转换、程控滤波模块。信号频率为２０Ｈｚ～ 相位反馈控制，频率建立及频率切换快，覆盖频率 ２０ｋＨｚ步进可调，步长为１Ｈｚ。频率稳定度达到１０～。 范围大，精度高，控制性好且容易实现，具有功能 正弦波信号非线性失真系数不大于３％。脉冲波上升 扩展的能力，故采用这种方案。 时间和下降时间不大于１ ｓ。平顶斜降不大于５％。 ２．２存储器模块 脉冲占空比为２％一９８％步进可调，步长为２％。负 方案一：可以使用ＤＳＰ中的存储器，不仅存储量 载为６００１￣时，输出幅度大于３Ｖ。另外，系统提供 大而且运算速度快。 的矩阵键盘和点阵式液晶显示器还实现了良好的人 方案二：使用ＦＰＧＡ作为数据的桥梁，将波形先 机交互，能够设置功能并将相关信息显示出来。 存储在ＲＯＭ中，通过单片机控制，将数据传输给 ２方案论 正 ＦＰＧＡ，再由ＦＰＧＡ将数据高速传送给ＤＡＣ０８３２。 ２．１频率合成器模块 综合考虑器件的使用性和实际情况，我们决定采 方案一：采用模拟分立元件或单片压控函数发 用ＦＰＧＡ中的ＲＯＭ作为系统的存储器件。 生器ＭＡＸ０３８，可产生正弦波、方波、三角波，通过 ２．３幅度控制模块 调整外部元件可改变输出频率。但采用模拟器件由 方案一：采用ＶＣＡ８１０通过一个单片机控制 于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参 ＤＡＣ０８３２通过数模转换得到一个控制电压，从而控 数也与外部元件有关，外接的电阻电容对参数影响 制ＶＣＡ８１０的放大倍数，最后达到控制输出电压的目 很大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干 的。 扰能力低、成本也高，且灵活性较差，不能实现任 方案二：数模转换和幅度控制部分采用双Ｄ／Ａ 意波形以及波形运算输出等智能化的功能。 技术，第一级Ｄ／Ａ的输出波形作为第二级Ｄ／Ａ的基 方案二：采用直接数字频率合成技术产生波形， 准电压源，第一级Ｄ／Ａ以由单片机Ｐ１口控制，由此 信号频率范围覆盖超低频和高频，便于单片机控制。 来控制信号发生器的输出电压幅度。 通过计数器的高位输出作为读取波形存储器ＲＡＭ的 方案一中ＶＣＡ８１０的放大倍数并不是完全线性， 地址，将读出的数据送至Ｄ／Ａ转换器输出波形。而 而且它的放大倍数是以ｄＢ的形式来表现的，所以不 对计数器的控制也有两种实现方案：通过一定的频 是很容易控制。第二种方法电路简单，通过软件控 收稿日期：２０１６—１１－２５ 作者简介：吴艳玲（１９８１一）女，湖北荆州人，武昌理工学院非信息工程学院讲师。 １０５ 武昌理工学院学报（科学与技术） ２０１６年第４期 制，可控性强，故采用这种方案。 ２．４后级滤波模块 方案一：采用二阶切比雪夫低通滤波器。切比雪 夫低通滤波器的幅度响应在通带内是在两个值之间 波动，在通带内的波动次数取决于滤波器的阶数。 理想的切比雪夫低通滤波器近似在靠近截止频率的 部分有比巴特沃兹滤波器更接近矩形的频率响应。 方案二：采用二巴特沃兹滤阶波器。巴特沃兹 滤波器的幅度函数是单调下降的，但巴特沃兹滤波 器能实现最大平坦幅度滤波。 由于信号发生器的输出波形中的主要噪声为 图１系统框图 ３．２ Ｄ／Ａ模块设计 幅度控制和Ｄ／Ａ转换用双Ｄ／Ａ实现，第一个 ＤＡＣ０８３２由单片机Ｐ１口控制，其输出做为第二级 ＤＡＣ０８３２的参考电压，通过单片机就可以实现设置 输出幅度的峰值。第二个ＤＡＣ０８３２读取波形存储器 双口ＲＡＭ的波形值，转换输出波形。由于０８３２为 电流型输出，所以需要两级运算放大器电路将电流 转化为电压，其中第一级将电流转换为－－５Ｖ～０Ｖ， Ｄ／Ａ转换产生的高频分量，与设计的频率范围相差很 远，所以相对来说，滤波器在频带内的平坦程度比 其衰减陡度更为重要，而且巴特沃兹滤波器的元件 值也较合乎实际情况，不像其他类型滤波器对元件 值要求那么苛刻。基于上述考虑，决定采用二阶巴 特沃兹滤波器。 第二级将－－５Ｖ ０Ｖ反向，转换为０Ｖ～５Ｖ，为下一 级ＤＡＣ０８３２提供基准电压。具体电路设计如图２所 示： ３系统设计 ３．１ 系统总体设计 ３．３相位累加器设计 累加宽度设计：若相位累加器的宽度为Ｎ位， 单片机构成系统的控制中心，控制功能选择和 结果显示，ＦＰＧＡ在单片机的控制下实现直接频率合 成，系统初始化后对按键进行判断从而根据设定选 择相应的功能执行。在更改输出波形频率时，根据 输入产生相应的频率控制字送到ＦＰＧＡ中，控制输出 频率值。ＦＰＧＡ的输出作为ＲＯＭ的读取地址，选取 波形数据经ＤＡＣ０８３２输出模拟波形。同时，单片机 控制第一片ＤＡＣ０８３２输出直流电压作为输出波形的 ＤＡＣ０８３２的基准源，控制输出波形的幅值。 系统总体框图如图１所示。 ２Ｎ当于２ ｄ，则信号输出的频率／ｏ： ，， 由公式可得，累加器的位数越大，频率分 的位数为 Ｎ＝２３ 位，则 辨率越小，精度也就越高。在本实验中，我们设计 累加器舌＝３１２．５ｋ／８３８８６０８＝０．０３７ＨＺ。如果为１ＨＺ的 话，则对应频率控制字为１／０．０３７＝２７。 频率控制字（ｋ）宽度设计：频率步进为１ＨＺ， ＶＤＤ Ｕ１ １ ｅＳ ＷＲ１ ＷＲ２ ＶＤＤ ２０． － ’Ｒ１ 一 ｌ １７二 Ⅱ Ｅ ＸＦＥＲ ｐ１ １ ２ Ｌ ６ —— ７ Ｄ１０ ＤＩ１ ＤＩ２ ＶＲＥ茸 拉ＲＦＢ ９ ５ Ｖ（一 ：Ｃ Ｕ２ ３ ８ ４＝ ＤＩ３ ： 一 Ｔ ２ ｚ ｌ ８ ｌｑ＇Ｅ５￣ ３４ＡＪＧ １ Ｈ５ １０ ． ！墨 ＤＩ５ ｅａｄｅｒ ５Ｘ： ！ＡＩ ｒ—一 Ｄ１７ ４ ９ 一薛 Ｄ工４ ｔＯＵＴ１ １３二 Ｄ工６ ３ ＧＮＤ ＤＡＣ０ ８３２ＬｅＪ ＩｏＵＴ２ ． 一一ＶＳＳ 广——而一 ＧＮＤ ，Ｒ３ 图２ Ｄ／Ａ转换电路 第１１卷 吴艳玲：基于ＤＤＳ的信号发生器设计 则频率控制字为２７为单位步进。在这里我们采用一 个乘法器（＊２７），当键盘置数位ｌ时，通过乘法器 后，变为２７，对应输出的频率为１ＨＺ。 对应幅度减１００ｍＶ ３．６方波的设计 方波的调节也是通过改变频率控制字从而改变 高电平占中分频中的系数来调节方波占空比的，当 ｍ ＝２００００ＨＺ，Ｋ＝２００００，当频率控制字的位数为 频率控制字小于某一值时取高电平，低于这个值时 ｌ９，远能满足设计要求。 经过实验验证可得，ＲＯＭ表最好只装８１９２个数， 否则会出现意外情况。８１９２个点为正弦波总点数 １／４。总点数为８１９２＂４＝３２７６７（２的１５次方）。所以 累加器的输出为２的１５次方，取累加器的第２２位 至８位作为输出如图３所示。 硒………“………………………………… ・耙啷３Ｌ９ ． ｅ骞卷 【 埠． ■＿ 靶咄 砒 图３相位累加器 ３．４ ＲｏＭ的设计 该模块是存放ＤＤＳ正弦波各个相位所对应的幅 值大小的存储单元，模块功能是供相位累加器模块 找到对应相位的波形幅值。 图４ ＲＯＭ查询表 为了尽限利用ＲＯＭ的大小，我们设计１３位的 ＲＯＭ表如图４所示，即Ｒｏｍ表中存放了８１９２个波 形数据，且在表中只放置正弦波形０＿＿Ｔ／２的波形值， 利用软件处理，得到整个周期内的波形值。对于ＲＯＭ 存放的正弦表值的设计，可以借助Ｍａｔｌａｂ软件编写 Ｏ－－－Ｔ￣２内正弦的波形值，需要注意的是波形值数据 点共８１９２个全部为正整数，且所有点对应的幅值范 围应是Ｏ一５，这样才能给ＤＡＣ０８３２处理。 ３．５键盘键值转化为频率控制字模块 我们是通过对应数据的为止调节来调节频率和 幅度变化的。０对应加１０ＫＨＺ，６对应减１０ＫＨＺ，１ 对应加ｌＫＨｚ，７对应减１ＫＨＺ，２对应加１００ＨＺ，８ 对应减１００ＨＺ，３对应加１０ＨＺ，９对应减１０ＨＺ，４ 对应加１ＨＺ，Ａ对应减１ＨＺ，５对应加２％步进的占空 比，Ｂ对应减２％步进的占空比，Ｃ对应复位，频率 为１０ＫＨＺ，Ｄ对应转换波形，Ｅ对应幅度加１Ｖ，Ｆ 对应幅度减ＩＶ，ＥＳＣ键对应幅度加１００ ｍＶ，ＥＮＴＥＲ 取低电平，这样就形成了方波。 ４程序流程图 图５总程序流程 ５总结 对于信号发生器的设计，原始的方案中，决定 了采用直接数字频率合成，不过采用直接数字频率 合成原始的信号也分成两种，一种是采用ＡＤ９８５ １直 接数字频率合成模块，另一种是采用ＦＰＧＡ编程实现 直接数字频率合成，前者可以简化程序而且可以达 到更高的信号发生频率，但硬件电路复杂，成本高。 后者程序复杂但节约硬件成本。信号发生后，如果 波形不好，需要滤波，由于输出幅度在不同的频率 内可能有一些差别，所以需要将不同的频率幅度稳 定，由于要求幅度可调，因而需要有对信号进行幅 度控制的模块。 参考文献： 【１】 李朝青．单片机原理及接口技术（第三版）［Ｍ】．北京：北京 航空航天大学出版社，２００９（７）． ［２］ 谢自美．电子线路设计［Ｍ】．武汉：华中科技大学出版 社，２０００（７）． 【３】 康华光．电子技术基础（模拟部分）［Ｍ］．北京：高等教育出 版社，２０１０（６）． ［４】 黄根春．电子设计教程【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００９（５）． （本文审稿李正发）
