基于AD9833信号发生器的设计.pdf

第 21 卷第2期 2 008年 3月 机电产品开发与创薪 D eve lOPm e n t 幅度控 制采用A l 8 3 20可编程增益放大器和D A转换芯片T L C 7 5 28 实现 功率放大电路采用高速缓冲器 B u F634 最大可输出25 附 流的电流 实验表明该系 统能够产生正弦波 方波和三角波三种周期性 波形 且能实现从 I H 2 Z MH 的稳定愉出 频率稳定度优于1 0 九 关键词 信号发生器 直接数字频率合成 A l 9 8 33 中图分类号 TN7 82文献标识码 A文章编号 1 002 一 6673 2 加8 02戒 巧 7 一3 0 引言 直接数字频率合成技术 di re ctdi gi 以 s ynth es i ze r D D S 是近几年发展起来的一种新的 频率合成技术 该 技术具有低成本 低功耗 高分辨率 频率切换时间 短 相位连续 相噪低 结构简单 体积小等优点 广 泛使用在电信与电子仪器领域 是实现设备全数字化的 一项关键技术 作为通信系统的信号发生器也越来越多 地采用了该技术 本文介绍一款基于D D S 芯片A D 9 8 3 3 11 闷信号 发生器的 设计方案 IA D 9 8 3 3芯片 1 IA D 9 8 3 3 芯片主要参数 A D 9 833 是一款低功耗 可编程波形发生器 能够 产生正弦波 三角波 方波输出 其主要特性如下 频 率和相位可数字编程 工作电压为3 V时 功耗仅为 2 0 m w 输出频率范围为O M H z 一 12 5 M H z 频率寄存器 为2 8 位 在2 5 M H z 的参考时钟下 精度为0 I H 劝 可 选择正弦波 三角波 方波输出 无需外接元件 3 线 S PI接口 温度范围为拼O O C 一 1 0 5 O C 1 2 内部结构框图 A D 9 8 3 3 内部结构框图如图 1 A D 9 8 3 3 的内部电路 主要有数控振荡器 NC o 频率和相位调节器 正弦只 读存储器 s i n e R O M 数模转换器 n C 电压调整 器 其核心是28位的相位累加器 它由加法器和相位 收稿日期 2 008 一2 一3 作者简介 肖 伸平 1 9 65一 男 教授 硕士生导师 主要 从事香棒控制 智能控制等研究 窦颖艳 1 984 一 女 河 业 衡水 人 在读硕士 研究生 主要从事智能控制 理论的 研究 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人到正弦查询 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0 3 60 范围内的1 个相 位点 查询表把输人的地址相位信息映射成正弦波幅度 的数字量信号 驱动D A C输出模拟量 相位寄存器每 经过2 脚 M个 M C LK 时钟后回到初始状态 相应的正弦 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 与 广M F M C I 刀 哟 其中 M为频率控制字 由外部编程给定 其范围 为0 感M疾2 tl V D D引脚为A D98 3 3 的模拟部分和数字部分供电 供电电压为2 3 V 一 5 5 V A D98 33 内部数字电路工作电压 为2 5 V 其板上的电压调节器可以从V D D产生2 5V 稳定电压 若V D D小于等于2 7 V 引脚C A P1 2 S V应直 接连接至 V D D 丹 丫口翻叭 1 扣 翻甲 习R E 1 卜矛 卜 1 饭卜 井 考 少 编方二 个脚控制 孩举I R 王 G J 川台 D 八 C 署粤 相价O R 七 G 柑1 令 I R 心 井制守存吕 个行 挂口 及拎制逻找 FSyN S C L K皿 九 下 圈IA 刃 四 833内部结构框图 F i g 1 们l e 加te ri o r fr 别 口 e work orA 刃 口 8 3 3 6 7 万方数据 产品与市场 2信号发生器的基本原理及组成 2 1 0 0 5基本原理 该信号发生器基于奈奎斯特抽样定理和数字波形合 成原理 一个完整的信号发生器内部结构由位频率控制 寄存器 模2 加相位累加器 正弦 相位一 幅度 转换 表R O M存贮器及数模转换器D A C等几部分组成 每来 1 个时钟fr 相位寄存器以 步长K 频率控制字 增加 相位寄存器的输出与相位控制字相加 然后作为正弦查 询表的查询地址 正弦查询表包含一个周期正弦波的数 字幅度信息 查询表把输人的地址相位信息映射成正弦 波幅度信号 通过D A C输出模拟量 相位寄存器每经 过2 今 K个 fr时钟周期后回到初始状态 相应的正弦查 询表的地址经过1 周期后回到初始位置 整个D D S 系 统输出 一个周期的正弦波 输出的弦波频率为 分k fr 2 通过改变频率控制字K 即可调节读取查询表中正 弦波形输出点的速度 从而产生不同频率的正弦方波 D D S 原理如图2 所示 图中参考时钟源fr 是一个稳定的 晶体振荡器 氏 2 幅度控制模块 增益控制模块采用A D 8 3 2 0 芯 片 该芯片为一种功率可控制的功率放大器 sbit 数字 控制增益 增益范围可达3 6dB卜 1 0 一 2 6dB 功 2 odB 增 益精度 V V 11 另 B 的线性增益响应 低噪声 低失真 高 功率 相对于由继电器或模拟开关与运放的增益可控放 大器来说 采用的电路比 较简单 调试起来比 较容易 3 功率放大模块 为了达到系统要求 采用 O PA以 抖芯片与B U F 6 3 4 芯片相结合 0 P A 6 抖是一场效 应管输人运算放大器 低失真 0 以 x 3 I K H z 低噪声 1 0 n v l H z 赫兹 和高带宽 增益带宽 Z o M H z 的 特性 这方面也满足了此设计对频率范围的要求 B U F 634 是 高速的单位增益开环放大器 频带范围宽 0 I H z 3 o M H z 应用范围 广 它可以 用在放大器的 反馈环中 来 增大输出电流 消除热反馈和提高容性负载驱动能力 输出电路由内部的电流限制和热关断进行完全保护 使 得它耐振而且容易应用 4 键盘显示模块 系统采用5 个独立式按键 分 别为 51键改变波形 可产生正弦 三角 方波三种波 形 52 键改变信号发生器的工作状态 有调频 调幅 输出三种工作状态 53键改变调频或调幅步进值 54 键与55键使频率值加 减一步当前步值 23 信号发生器的软件设计 信号 发生器 的软件部分直接 由 C语 言写成 主要是完成单片 机初始化 键盘 显示等功能 按 照A D 9 8 3 3 的时序 将 控 制 字 写 人 A D 9 8 3 3的内部储 存器中 从而产 生相应的频率 达到频率的步进 控制等设计功能 主程序流程图见 图4 栩串控制码 圈 Z D D S原理 Fi g Z The P ri n ci P l e ofD D S 2 2 信号发生器的硬件实现 该系统主要由图 3 所示的四种模块组成 控制模 块 键盘显示模块 幅度控制模块和功率放大模块 1 单片机控制电路 信号源采用A T89 552 微处理 控制器 内置S K B可编程只读存储器 2 5 6 B的内部 R A M 犯 位可编程 U O总线 适应工作频率高达 2 4 M H 直接将 A D 9 8 3 3的S D A TA 脚 S C L K脚 FSY N C 图 4主程序流程圈 F l g 41 e P r ogn n o w c h a rt 键盘显 示模块控制 模块 坛 面 硬 天 懊 块 一 功 率 斌 灭 模 块 图 3 硬件结构框圈 Fig 3 The b I OCk山 a 歹aJ 口ofh a r d w are 脚与A T89 552 的P3 5 P3 4 P3 3 引脚相连 从实际使用 效果来看工作可靠 实现了高稳定度 高精度 高分辨 率的要求 3 实验测试与结果分析 硬件搭建完毕 通过软件调试后 使用I M H z 双通 道数字示波器 型号 R l co卜D S 一 5 以Z M示波器 对设 计完成的D D S 正弦信号发生器进行测试 输出波形频 率范围测试数据见表1 测试表明 系统具有以下特征 能够产生三角 波 正弦波 方波三种周期性波形 下转第73页 6 8 万方数据 产品与市场 图4猎食的魔 Fig 月 Ab unU n gea公 I e 大 后轮直径较小 增强了操纵 和行驶的稳定性 发动机可以 任意挡位启动 操控方便 舒 适性 采用新型前后倒置全可 调油气减振器 行程大吸振性 能好 底部采用叉形摇架管式 车架 管径小重量轻灵活轻便 3 结束语 采用仿生学原理来设计迷你运动型越野摩托车 实 践证明是一行之有效的方法 上述两款越野车分别模仿 了袋鼠 恐龙和老鹰等三种动物的体征 动作以及色 彩 无处不彰显出其阳刚之气 野性与灵性 从形态构 成 功能实现和外观配色上均充分展示了仿生学的魅 力 基于仿生学原理设计制造的两款迷你运动型越野摩 托车 不仅造型新颖别致 而且结构科学合理 完全表 达了越野摩托车的个性与品味 它们现在己成为欧美市 场上的畅销产品 售价是国内同类产品的3 一 5 倍 很显 然 其附加值的提升与其所采用的先进设计方法和制作 工艺是密不可分的 参考文献 11于帆 陈燕一 仿生造型 设计 t M 武汉 华中科技出 版社 2 005 2 姚平 LuigiC ol 耐 仿生设计传奇 团 艺术与设计 2 仪 5 3 张安祥 陈华薪 摩托车造型设计中应考虑的几个问题 J 摩托车 技术 1 9 9 5 5 4 1 杨力斌国产摩托车造型艺术设计初探闭 摩托车技术 Z ooZ L 5 史春涛 等 摩托车 工 业 设计策略 研 究 J 机械 设计 2 005 9 16 陈 震邦 工业产品 造型 设计 M 北 京 机 械工 业出 版社 2 lx 7 李建春 摩托车车架 P 中国 专利号2 005 3 O 1 5 以 洲 0 2 005 11 A P P I i cati o nofB i o ni csDesi g ni nthe P r 0 d u c t D e v e l o P me n t ofD i rtMo to r c y c I e s LIXin se 掬 ro Ll再 皿一 ChunZ W A 挥 CD a C he心 1 Wu 如U 拍 v e rs i ty J 画9 旧 e nG uan 朗o ng 5 2 9 2 0 C h 的 a 2 s h u 0 P u 豁e nce di rtmot o P ro d u ctd e v e fo p m e n t 上 接 第 68页 表1 输 出 频 率 测 试 数 据示波器观察时无明显失真 Tab I T h ef r e q u e n Cy t e s t d a t a 预置频 率I H z 输出频率川吮 正弦波方波三角波 空载 负载 I K负载 5 0 空载空载 l l 0 1 oo l K 1 0 K 1 以 K l M 2 M 1 洲 1 0 02 1 00 2 1 峨 刃Z K 1 0 0 2 K 1 X Z K 1 洲 Z M 2 峨 X X Z M 1 洲 刃 1 0 0 2 1 00 2 1 减 Z K 1 0 0 2 K 1 1 洲 Z K 1 加 Z K 2 一 加 Z M 1 仪洲 1 0 02 1 00 2 1 O 0 2 K 1 0 0 2 K 1 洲 Z K 1 仪 Z M 2 仪K Z M 1 兀 旧 1 0 0 2 1 00 2 1 洲 Z K 1 0 0 2 K 1 以 Z K 1 1 刃Z M 2 仪刃Z M 1 洲 X 1 0 02 1 00 2 1 峨 叉 Z K 1 0 0 2 K 1 以 Z K 1 峨 洲 Z M 2 I X 洲 Z M 波形输出频率范围I H z 一 Z M H z 具有频率设置功能 步进值为I H z l o H z l ooH z I K H 1 0 K H z l ooK H z I M H 输出 信号频率稳定度优于1 0 人 失真度 用 4 结束语 基于A D 9 8 3 3的频率合成技术能够产生高分辨率 高稳定度的正弦波 三角波 方波信号 与单片机实时 控制技术相结合 在波形选择和频率控制上很方便地实 现控制 因此 A D 9 8 33 芯片以及基于此芯片制成的各 类信号源在各种领域有着广阔的应用前景 参考文献 1 石晓明 申 小中 一 种简易高精度频率信号发生器的设计与实现 田 仪器 与 仪表 2 仪 巧 10 2 刘国良 赓 力 清 施 进 平 A D98 33型 高 精 度 可 编 程 波 形发 生 器 及 其应用 J 国 外电 子元器件 2 00 1 0 13 袁 雪莲 冯 伟 基 于A I 为 9 5 4 信 号 发 生 器 的 设 计 田信 息 技 术 2 以 巧 1 2 D e s i g no f S i gnalG e n e rator B ase do nA D 9 8 3 3 X IAOS hen 一 几ng D O UYII 褪 卜 y 砚 2 百 刀 Ho刀 召 Bi咭 及 UEn H u nan U ni v mi tyo f T e c hno l o gy Z h u zho u H u n an 4 1 2 0 8 C hi n a A bs t raCt T h e d es i 幼o f s i g l al罗 n er a t o r b as e d o n A J 9 8 3 3 is p ro p o s e d i n t hap 叩 er T h e s in gl e 一 c hi p nuc r