基于AD9833的信号发生器的设计与实现.doc

基于AD9833的信号发生器的设计与实现本文介绍一种基于直接数字频率合成技术（DDS）的信号发生器，该系统采用AD9833 与STC89C51 单片机相结合的方法，以单片机STC89C51为进程控制和任务调度的核心，以DDS 芯片AD9833 为直接数字频率合成器，实现了输出正弦波频率在10Hz8MHz 范围可调，三角波输出频率在10Hz1MHz可调，方波输出频率在10Hz100KHz可调。实验证明，此设计硬件电路结构简单，软件控制灵活，输出信号频率稳定，分辨率高。（一） 引言低频信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于物理学、电工学教学实验，电子线路和微机原理、接口技术实验，自动化测控系统等领域。低频信号发生器早期用于模拟某些控制系统调试时所需的信号源，主要是采用了场效应管等纯硬件完成，但波形在峰值时略有失真，效果不太理想。本文介绍采用美国模拟器件公司的DDS芯片AD9833实现的低频信号发生器，可以产生正弦波、方波和三角波三种波形。（二）AD9833 电路结构AD9833 的内部电路主要有数控振荡器（NCO）、频率和相位调节器、正弦查找表（Sine ROM）、数模转换器（DAC）、电压调整器，其功能框图如图 1 所示：图 1AD9833 内部框图AD9833的核心是28位的相位累加器，它由加法器和相位寄存器组成，每来1个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加后输入到正弦查询表地址中。正弦查询表包含1个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0360范围内的1个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，去DAC输出模拟量，相位寄存器每经过228/K个MCLK采样时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，这样就输出了一个正弦波。输出正弦波频率为：foK（fMCLK/228）其中，K为频率控制字，由外部编程给定，其范围为0K2281。 （三）硬件电路设计整个硬件系统框图如图2所示AD8055缓冲放大电源（+5V）电源（-5V）STC89C51单片机键盘AD9833图2 硬件系统框图AD9833是一款低功耗可编程波形发生器，该器件可通过SPI接口和单片机相连，编程能够产生正弦波、三角波、方波输出，输出频率范围为0MHz12.5MHz。同时AD9833外围电路简单，无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节，频率寄存器是28位的，主频时钟为25MHz时，精度为0.1Hz，主频时钟为1MHz时，精度可以达到0.004Hz。单片机选用STC89C51，单片机是整个系统的进程控制和任务调度的核心。1.DDS 模块DDS 的电路如图3所示，有源晶振为AD9833提供25MHz的系统时钟，单片机通过FSYNC、SCLK、SDATA、三个引脚控制AD9833。AD9833是一块完全集成的DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）电路，仅需要1个外部参考时钟、1个低精度电阻器和一个解耦电容器就能产生高达12.5MHz的正弦波。图3 DDS 部分电路AD9833 的引脚排列如图 4 所示，MCLK(5 脚)为外部参考频率信号的输入端，SDATA(6 脚)、SCLK(7 脚)、FSYNC(8 脚)组成AD9833的标准三线串行接口，可以与SPI、QSPI、MICROWIRE 或 DSP芯片直接连接。16位串行数据字由6脚输入，在7脚的下降沿被读入AD9833，8脚为频率更新控制信号，可以用作片选信号，当8脚保持低电平时新的控制字写入AD9833中，在8脚的上升沿可以从Vout(10 脚)输出模拟或数字信号，其中三线串行接口操作时序图如图5所示。图 4AD9833 引脚图图 5AD9833 串行时序图2.单片机系统电路单片机系统电路由STC89C51为核心，STC89C51拥有丰富的IO口和片上资源，是目前比较流行的单片机，该部分电路如图6所示，主要有时钟电路，复位电路构成。P3.0、P3.1、P3.7 分别与AD9833的SDATA(6脚)、SCLK(7脚)、FSYNC(8脚)相连，进行SPI接口访问控制。图6 单片机系统电路3.输出缓冲放大器输出缓冲放大电路选用AD8055，AD8055属于超高速运算放大器，高频放大失真小，电路的增益为Rf/R14+1.通过调节电位器Rf可以改变输出电压的幅度。输出缓冲放大电路如图7 所示：图7 输出缓冲放大电路图4.键盘和显示电路键盘采用44键盘，如图8所示。图8 键盘电路图显示电路用数码管显示，直观方便，如图9所示。图9 显示电路图（四）系统软件设计软件采用C语言编写，使用循环扫描完成44键盘的扫描任务。程序的主流程图如图10所示：N初始化单片机初始化数码管初始化AD9833开始有按键？处理按键更新显示更新波形频率或形状Y图10 程序主流程图AD9833的主要任务就是完成正弦波形的迅速建立和频率的快速切换，可以通过软件设置不同的频率控制字来达到切换频率的目的。在软件程序中，只要定时通过SPI向AD9833写入不同的频率控制字，就可以控制信号的输出。在编程中需要注意的是，由于AD9833的频率控制字是16位的，因此对于SPI的写操作来说，需要分两次完成，还要注意AD9833的数据位的写入顺序，因为其数据格式是高位在前，低位在后。（五）结论经测试，该信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形，波形失真极小