基于dds的多路任意波形发生器的设计与实现

1、第2 3 卷第1 4 期 电子设计工程2 0 1 5 年7 月 v 0 1 2 3n o 1 4 e l e c t r o n i cd e s i g 丑e n 西n e e r i n gj u l 2 0l5 基于d d s 的多路任意波形发生器的设计与实现 韦晓璐任青莲 ( 太原科技大学电子信息工程学院，山西太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要：本文采用单片机控制d d s 专用芯片( a d 9 8 5 4 ) 设计了信号发生器。以a d 9 8 5 4 芯片为核心，详细分析了该信号 发生器的系统结构、软硬件设计和具体电路实现，并介绍了使用单片机s t c l 2 l e 5 a

2、5 6 s 2 对a d 9 8 5 4 的控制方法。信 号发生器利用计算机串口通信技术，使用上位机通过串口对下位机控制，通过人机交互的控制方法产生正弦单频信 号、扫频信号、f s k 调制信号等波形。本信号发生器的优点是硬件电路简单，软件功能完善，人机界面友好，控制方便， 性价比较高等特点。具有一定的使用和参考价值。 关键词：信号发生器；d d s ；a d 9 8 5 4 ；上位机；串口通信 中图分类号：t n 7 1 3 1文献标识码：a文章编号：1 6 7 4 6 2 3 6 ( 2 0 1 5 ) 1 4 0 0 9 3 - 0 3 i e s i 驴锄di i n p l e m

3、e n t a t i o no fm l l l t ic h a n 玳l 盯b i t r a r yw a v e f o 珊g e n e 翰t o r g a s e do nd d s w e ix i a o - l u ，r e nq i n g l i 锄 ( c o z f e 伊矿觑e c 抛n 拓帆d 删白m 脚幻ne r 画聊e 矗增，死毋懈西e r s 毋矿s c 拓驰e 帆d 死c 加6 9 9 y ， 死咖m0 3 0 0 2 4 ，现讹) a b s 灯舵t ：as i g i l a lg e n e m t o rb a s e do nad i 西t

4、a ld i r e c ts y r i t i l e 8 i s ( d d s ) c h i p ( a d 9 8 5 4 ) 锄das i n d ec h i pl i l i c r o c o m p u t e r i sd e s i g n e d u s i n ga d 9 8 5 4a st l l ec o r e ，t h et l e s i sa n a l y z e st h es y s t e ms t r u c t u r e ，t h ed e s i g no fs o f m a r ea n dh a r d w a r e 锄d t

5、 h ew a yt or e a l i z et l l ec i i u i to ft l l es i g n a lg e n e m t o r ，i n t r o d u c e st l l em e t h o do fc o n t r o m n ga d 9 8 5 4b ys 7 i 1 2 l e 5 a 5 6 s 2 n es i g n a lg e n e r a t o rc a np m d u c et h es i n ew a v e ，s w e e ph q u e n c ys i g l l a l 蛐df s kb yh u m a

6、n - c o m p u t e ri n t e m c t i o nc o n t r o l u s i n g 出es e r i a lp o r tc o 咖u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo fc o m p u t e r s t h es i 印a lg e n e r a t o rh 船t i l ea d v a n t a g eo f8 i m p l ec i r c u i t ， p e 如c ts o 脚a r ef u n c t i o n ，衔e n m yh u m a n - c o m p u t e

7、ri n t e 血c e ，c o n v e n i e n tc o n t m la n dh i g hc o s t - e 娲c t i v e i th 鹊s o m eu s e a n dr e f b r e n c ev a l u e k e y 刑柑s ：s i g n a lg e n e m l o r ；d d s ；a d 9 8 5 4 ；u p p e rc o m p u t e r ；s e a lp o nc o m m u n j c a t i o n 任意波形发生器是一种常用信号源，是现代电子测试领 域内应用最为广泛的常用仪器之一，广泛用于电

8、子电路、通 信、雷达、导航、宇航等领域。输出信号的灵活性使之成为系 统综合测试中不可缺少的组成部分。 直接数字频率合成( d d s ) 技术采用全数字的合成方法， 其主要优点是体积小、功耗小、成本低且易于程控，输出相位 噪声低和可以产生任意波形等。是任意波形发生器研究的一 个重要方向。本项目从工程应用角度出发，深入研究基于单 片机系统、以d d s 技术为核心的一种结构简单、性能优良的 多路任意信号发生器。并且通过p c 机与单片机之间的串行 通讯、数据的发送和接收，实现上位机方便快捷地控制产生 需要的波形。在w i n d o w s 系统下利用v i s u a lb 鹊i c 语言编写

9、 上位机控制软件，可实现p c 机与单片机之间的通讯及控制 电路操作简单方便从而让任意波形发生器可为用户最大 收稿日期：2 0 1 4 一0 9 2 9稿件编号：2 0 1 4 0 9 2 6 9 限度地提供最方便有效的测试环境。 1系统原理 系统结构组成如图l 所示主要由单片机控制模块、键 盘与液晶显示模块、数字合成模块、滤波模块、d d s 波形发生 器上位机模块组成。其中，信号产生由单片机控制模块和数 字合成模块实现，键盘与液晶显示模块以及d d s 波形发生器 上位机模块则用来实现人机交互的功能，滤波模块用来对信 号进行后期处理。对于波形的控制有两种途径，一种是用户 从仪器面板上通过按

10、键输人命令，其命令的内容将显示在液 晶屏幕上，并将命令传输到单片机，再由单片机控制d d s 芯 片输出信号，并通过后级信号调理电路，最后输出所需的信 号；另一种是利用上位机通过串口通信对下位机的控制，下 位机的单片机再控制液晶显示以及d d s 芯片的工作。两种方 法可以同时使用灵活地通过控制单片机，来控制d d s 芯片 产生相应波形。 基金项目：山西省高等学校大学生创新创业训练项目( 2 0 1 4 2 8 1 ) ；2 0 1 4 年度校级大学生创新性实验项目( x j 2 0 1 4 0 6 8 ) 作者简介：韦晓璐( 1 9 9 l 一) ，女，广西柳州人。研究方向：无线通信与电子

11、技术应用。 一9 3 万方数据 电子设计工程2 0 1 5 年第1 4 期 图l 系统原理图 f i g1 r r l e n c i p l ed i a g r a mo ft h es y s t e m 2 信号发生器的硬件设计 2 1 信号发生器电源设计 如图2 所示的电源设计，信号发生器的电源模块需要从 外部提供5v 的电源，根据a d 9 8 5 4 的参考资料可知a d 9 8 5 4 电源供电是3 3v ，单片机s t c l 2 l e 5 a 5 6 s 2 所需电压也为 3 3v ，两者之间就不需要进行电平转换，从而精简了一大部 分电路，只需接入5v 外部电源，再通过1

12、 1 7 3 1 3v 稳压芯 片，将电压转换成3 3v 来为a d 9 8 5 4 和单片机供电。由于 a d 9 8 5 4 电源有数字电源和模拟电源部分，需要分开进行供 电，因而需要两个稳压模块来给a d 9 8 5 4 这两部分进行供电。 网2 电源模块电路 f i g 2 p o w e rs u p p i ym o d u l ec i r c u i t 2 2 信号产生的设计与实现 信号的产生与控制部分电路由单片机s t c l 2 l e 5 a 5 6 s 2 与d d s 芯片a d 9 8 5 4 组成。用户通过键盘输入的信号被 s t c l 2 l e 5 a 5

13、 6 s 2 接收，并经其处理后将计算出的控制字传送 给a d 9 8 5 4 ，由a d 9 8 5 4 产生频率幅度可控的信号。还可以通 过p c 机上的d d s 波形发生器上位机发送命令来控制单片 机来选择a d 9 8 5 4 的工作模式。在其模式下，完成相应的命令 并输出波形。 a d 9 8 5 4 的内部没有滤波器，因此需在其信号输出端接 一个低通滤波器。滤波器的设计如图3 所示。 系统设定最高6 0 m h z 时能够最低程度的降低a d 9 8 5 4 内部系统时钟2 0 0 m h z 的干扰，采用了具有较窄过渡带特性 的椭圆滤波器。查找椭圆滤波器l c 元件值表得出归一

14、化的 元件值，然后再转化为去归一化的元件值便是本文所用滤波 器中的元件值。去归一化公式为： 一9 4 1 帮 0l l c 一p l 2 47 n 、_ c ”披 2 p f g n d 图3 滤波电路 f i g 3 f i l t e rc i r c u “ ，：孥( 1 ) j f s c ，：孕( 2 ) j 巧 其中，、c 为去归一化的元件值靠为频率标度系数，可 以直接用2 碰表示。z 为阻抗标度系数，即z = 5 0 。代人计算后 各个元件值如表l 所示。 表1 元件值表 t a b 1e i e m 蛐tv a l u et a b l e 2 3 人机交互电路设计 人机交互电

15、路以单片机s t c l 2 l e 5 a 5 6 s 2 为核心通过其 控制液晶显示模块和键盘输入模块以及与p c 机进行串口通 信。通过键盘输入命令给单片机s t c l 2 l e 5 a 5 6 s 2 从而来控制 a d 9 8 5 4 芯片工作，选择相应的工作模式。也可以通过串口利 用p c 机上的d d s 波形发生器上位机给单片机发送命令来控 制a d 9 8 5 4 芯片相关工作。如图4 所示为在p c 机上的d d s 波 形发生器上位机单片机s r c l 2 l e 5 a 5 6 s 2 具有串口通信的功 能，使用时需连上其对应管脚，打开串口，直接修改上位机内 所想

16、要修改的参数即能控制单片机发送命令来控制d d s 芯 片工作。此上位机可修改当前模式下的频率相关参数以及扫 频控制。该上位机软件还可以根据需要进行功能扩展。 3 信号发生器硬件实现 3 1 印刷电路板设计 整个系统所用的元器件都安排在一块印刷电路板( p c b ) 胆 万方数据 韦晓璐。等 基于d d s 的多路任意波形发生器的设计与实现 图4d d s 波形发生器上位机 f i g 4 d d sw a v e f o h r ig e n e r a t o rp c 上。芯片既有直插式，也有贴片式，采用手动布局，布线采用 最短路径规则。混合信号电路p c b 的设计很复杂，元器件的

17、布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和 电磁兼容性能。本板采用双面走线，所以两面的线尽量垂直， 以防止总线间的电磁串扰。系统既有数字器件又有模拟器 件，器件的布局上，遵循数字器件和模拟器件分开摆放，输出 模拟信号线最短输出、输入模拟信号线最短输入、模拟器件 的模拟地以最短距离到地的原则。 3 2 测试结果 下列图形是本设计产生的几种波形，测量仪器为固纬示 波器。型号为g d s 一2 0 0 0 a c n 。 本设计所产生的正弦波的频率范围是2h z ，6 0m h z ，图 5 所示为频率为2 0m h z 的正弦波。从波形可以看出频率准确 度可以达到0 0 0 0 5 ，稳

18、定度可以达到1 0 0 ，基本满足要求。 图5 户2 0 m h z 的正弦波 f i g 5 户2 0 m h zw a v e f o r m 图6 所示为扫频信号某一瞬间图形图，扫频范围为5 0 0 h z l o0 0 0h z 。扫频步长为1 5 0h z 。 图7 所示为f s k 调制信号，载波频率为1 0 0k h z ，调制信号 频率为1k h z ，从图中可以看出频率切换时波形的相位是连续的。 4 结论 本文采用d d s 芯片a d 9 8 5 4 为信号产生芯片，单片机 s t c l 2 l e 5 a 5 6 s 2 为控制器，外接1 0 器件，配合上位机的使 用，

19、实现人机交互控制的方法，设计出一种结构简便，性能优 良的信号发生器。能够极大方便地在上位机上输入参数以控 制产生各种需要的波形。 罔6 扫频信号( 扫频范围为5 0 0 l 0 0 0 0 h z ) f 唔6s w 。叩f r e q u e n c ys i g na lw a v e f f 】r r t l ( 5 0 0 l o 0 0 0 h z ) 7i ，kl 吲剐t 应忆 7 小k 、1 、f 、f j 1 1 参考文献： 1 】王景波m c w 雷达信号源的设计 d 】西安：西安理工大学， 2 0 1 1 【2 】刘禄禄d d s 的高性能雷达信号发生器的设计和实现【d 】 西安：西安电子科技大学2 0 0 9 【3 】杨蕊d d s 技术的使用信号源的设计【d 】武汉：华中师范 大学2 0 1 2 【4 】a n a l o gd e v i c e si n t e g r a t e dp