基于dds与cpld的函数发生器的研制

基于dds与cpld的函数发生器的研制

直接数字色散合成（dds）是一种信号合成中分辨率和转换速度相对较高的频率合成技术。并且ds可以创建各种简单的信号和调幅信号。结合单株和cpld技术，可以形成高成本的数字合成信号源。相对于传统信号源具有信噪比高、稳定度高、功耗小、可扩展性好等优点。数字合成信号源目前已经成为信号源主流产品。本文提出一种DDS信号源系统硬件及软件的设计方法。1高效显示模块本文设计的数字合成信号源的系统框图如图1所示,信号源能产生的频率为0Hz～10MHz信号,可控步长为1Hz,面板设计包括一个5×5的矩阵键盘,6位频率显示和4位电压显示数码管。单片机C8051F206完成键盘扫描和键值处理,单片机采用SPI总线实现对DDS9834的控制,同时利用单片机内部的12位A/D对输出电压采样。系统中Altera公司的CPLD(EPM3128)完成对单片机接口扩展以及测频功能。单片机发出的控制字经过CPLD来控制DDS,完成所需要的信号输出。2单元电路设计2.1频率产生单元和模块控制单元整个系统包括以下几个部分:中心处理单元(单片机);频率产生单元(AD9834);模块控制单元(CPLD);模拟信号调理电路;电源单元(提供稳定的±5V和±12V)5个功能块,各功能块通过端口连接。2.1.1cpld控制接口单片机控制整个系统工作,采用12MHz晶振,内部带有12位A/D,用于输出电压显示。5×5的矩阵键盘与单片机C8051F206的P3,P2.5,P2.6,P2.7口相连,键盘输入采用中断工作方式。单片机经P1.0,P2.0,P2.1,P2.2,P2.3,P2.4,P2.5,P0.6,P0.7,INT0,INT1与EPM3128芯片通信,其中P2.4,P2.5口为单片机和CPLD的通信控制端口;P1.0～P1.7为地址和数据复用端口,根据P2.4,P2.5的控制信号确定P1.0～P1.7是地址还是数据,是读还是写。单片机各种数据和命令通过CPLD送出。P2.0,P2.1,P2.2,P2.3是数据的传送模式控制端口,系统中采用SPI主模式。单片机向CPLD写数据时,将读信号P2.5口一直置低电平,写信号P2.4口在上升沿CPLD开始读地址,在写信号P2.4口在下降沿时CPLD开始读读数据。时序图见图2。单片机从CPLD读数据时,将写信号P2.4口一直置低电平,读信号P2.5口上升沿单片机开始读地址,在写信号P2.4口在下降沿时,单片机开始读数据。时序图见图3。读写控制程序模块如下:2.1.2dds输出频率DDS基本原理:正弦波形一个周期离散样点的幅值数字量存于ROM(或RAM)中,按一定的地址间隔(相位增量)读出,由D/A转换成模拟正弦信号,经过低通滤波,滤除D/A带来的小台阶和数字电路产生的毛刺,即可获得所需要的正弦信号,DDS外部连接图见图4。AD9834可以产生正弦波、三角波、方波,输出幅度为0.5V。AD9834内部的相位累加器的字宽为32位,SIN函数表有4096样点值,因此32位的相位累加器输出仅截取高12位用于查表。DDS有2个频率寄存器和4个相位寄存器,通过控制码实现频率和波形的切换。单片机通过SPI总线向片内各个寄存器写入控制字,控制DDS的输出信号,其中频率寄存器存储相位增量信息,他用于决定输出频率。使用50MHz的晶振理论上DDS可以产生15MHz左右失真度小于1%的正弦信号,信噪比可以达到60dB,信号的输出频率可表示为:式中,fc为DDS的时钟频率;N为相位累加器位数;M为相位累加器的步长;fo为输出频率。2.1.3cpld驱动频率和电压幅度显示数码管CPLD采用ALTERA公司性价比较高的EPM3128,主要作为单片机和DDS芯片的接口电路,单片机发出的所有命令都是通过CPLD来送出,CPLD用于驱动频率和电压幅度显示数码管。频率显示采用6位数码管,幅度显示采用4位数码管。另外,CPLD还负责外部信号的频率测量,可以准确的测量10Hz～10MHz信号,测量误差小于0.1%,外部被测信号通过模拟调理电路,变成CPLD可以接收的TTL电平,电路见图5,输入信号从J301输入,从J302输出。2.1.4ad8021、buf234t、ad80213t信号特性在图1中,由于AD9834输出电压幅度为0.5V,信号中含有直流分量,使用AD9834提供的互补输出信号IOUT和IOUTB(见图4),经过减法器(见图6)去掉信号中直流成分(该电路需考虑输出方波时的带宽问题,运放采用AD8021芯片),该信号再经过一级运放处理,再采用BUF634T实现信号功率放大作为系统信号输出。在功放的前级加入峰值检波电路,将交流信号转变为直流电压,利用单片机的内部12位A/D进行输出电压峰值显示,电压的显示精度可以达到1mV。3数/模地共地PCB板中有多个数/模功能块,需要将数/模地分开,然后在一点共地,来减少数/模地之间地互相干扰,对于DDS信号产生部分尽量放在一个相对独立的地方,以减小干扰。因此在布局布线的时候要特别注意信号的干扰问题。4门狗自动实现模块单片机采用C语言编程,首先要完成初始化工作,比如时钟初始化,端口设置,看门狗设置,开机初始化等工作,然后等待中断,进入键盘扫描和各种按键的处理程序,其整体流程图见图7。DDS控制字传送方式是