作者/ 曹鹏辉 郭湘南 武汉邮电科学研讨院(武汉 430074)
摘要：本文提出一种根据DDS芯片技能信号发生器规划的上位机操控体系。经过研讨DDS器材在技能完结中的详细运用，处理了传统单片机(MCU)信号发生器输出频率精度差、频率改动不行灵敏等缺陷。该体系具有输出频率精确安稳、波形质量好和输出频率规模宽等长处，一起还具有频率计和数字信号调制的功用。经过仿真和试验，验证了该体系的可行性。
导言
跟着DDS技能运用越来越广泛，市场上呈现许多种高功用信号发生器，可是现在可以发生多种信号输出且低价位的仪器并不多，可挑选地步不大。在高校试验室中，电类专业学生平常试验及实训过程中，常常要用到函数信号发生器，传统的示波器一般为模仿式，各方面功用指标难以满意学生的实践要求。因而，开发一种本钱低、功用好的数字式宽频信号发生器就显得尤为重要。怎么合理地研发根据DDS技能的一种结构简略、易于操作、功用安稳、本钱低价的信号发生器是此项意图首要内容。
1 体系计划规划
本体系利用了两块型号为MSP430的MCU开发板，可以经过USB接口与PC机进行交互，然后完结上位机的操控。上位机的参加可以极大增强用户体会性，使学生不再害怕试验，一起进一步了解试验相关仪器的操作。
本体系的首要功用包括频率计、波形发生器(包括正弦波、方波、三角波、锯齿波)和信号调制功用(包括ASK、PSK和FSK)。其间，频率计的频率规模为1Hz~500KHz，波形发生器的信号频率和起伏可调，频率规模为10Hz~10MHz，步进1Hz可调，峰峰值规模为20mV~13V，一起还能发生-3V~ +3V的直流偏置。整机体系框图如图1所示。
该体系分为信号发生模块、信号调度模块、信号反应模块以及频率丈量模块。PC机经过直接指令，使得两块MSP430单片机能操控各个模块，抵达协同作业的作用。
榜首块开发板担任操控频率计模块、AD9851DDS模块和AD9834DDS模块，可以丈量输入信号的频率，发生幅值较为安稳的正弦信号、方波信号、三角波信号和锯齿波信号，完结ASK、PSK和FSK的演示功用。
第二块开发板担任操控VCA810电压操控模块、后级功放的挑选、直流偏置模块与峰值检测模块，完结对前级信号的扩大或缩小，并进行峰值起伏校准，以完结用户所需起伏的信号的输出。
本体系选用的DDS芯片分别为AD9851和AD9834，前者用于发生正弦波和方波;后者用于发生三角波和锯齿波，一起还可以用于完结ASK、PSK和FSK调制。尽管AD9834也可以发生正弦波和方波，可是因为AD9851的时钟频率最高可抵达180MHz，因而，经过AD9851可以输出更高频率的正弦波和方波，而且AD9851频率寄存器有32位，比AD9832高4位，因而有更高的精度。
运用过程中，频率计模块可完结直接经过PC机显现屏实时显现当时输入信号的频率值;波形发生器模块可完结用户直接经过PC机设置相应的参数，鼠标点击确认后即发生输出。运用信号调制功用时，用户输入8位二进制码并挑选相应调制方法后，点击确认即可经过示波器观察到ASK、PSK和FSK的演示波形。
2 模块完结
2.1 信号发生模块
在体系规划中选用AD9851生成正弦波信号和方波信号。规划输出信号为10Hz~10MHz。实践电路中考虑到输出为等效电流源，其输出起伏会随所接负载改动而改动，在输出信号后接电压跟从器安稳输出，终究经过一片模仿开关芯片挑选正弦波或方波输出。AD9851功用框图如图2所示。
AD9834可以发生高功用正弦波和三角波输出，既可用于履行简略调制，也可完结GMSK和QPSK等更为杂乱的调制计划，其功用框图如图3所示。其特性选用AD9834以生成三角波、锯齿波以及对输出信号进行ASK、FSK和PSK调制[3]，然后完善了信号发生器的功用。实践电路制造过程中对信号的输出做了电压跟从的处理，一起在后级电路中经过JK触发器完结从三角波到锯齿波的转化。
实践中应留意AD9834应该选用模仿部分与数字部分别离规划，并约束在电路板的必定区域内，便于运用接地层并使之易于被切割。为完结最佳屏蔽，数字地层和模仿地层应单点衔接。
2.2 信号调度模块
因为DDS生成信号的起伏值不可调，在DDS模块输出信号后，接VCA810模块进行增益操控。VCA810供给差分输入单端输出转化，用来改动高阻抗的增益，操控信号在- 40dB增益至+40 dB规模内成dB/ V的线性改动。实践中只运用其衰减功用，行将DDS模块发生的固定起伏信号进行0到-40dB的程控衰减，操控信号由MCU操控DA芯片(TLV5616)发生，再经过增益为1的反相份额扩大电路送至VCA810。
为确保终究输出信号的起伏值较大，在VCA810后级添加一个扩大模块，一方面确保信号输出起伏可抵达理论值，另一方面还需求确保信号带宽。经过剖析挑选高速、宽带、高压摆率、宽电源轨运放。为避免因为信号先衰减后扩大或许引进更多噪声，影响输出信噪比，挑选去耦电路消除电源纹波噪声。合理挑选扩大电路的带宽和通频带，将需求频带以外的噪声信号滤除。终究选定THS4012作为后级运放，其带宽为290MHz，具有低失真、超高速、宽电源轨特性，输出电流典型值可达110mA，信号电压纹波7.5 nV√Hz，从各个方面都满意本规划需求。
结合AD9834特性，可发生两个频率相同但相位相差180°的三角波信号，一个上升的斜坡信号和一个下降的斜坡信号一起呈现。经过由AD9833发生的方波电压信号操控AD9834的PSELECT，即相位挑选输入端，可使其lout，即电流输出端输出锯齿波信号[4]，体系原理框图如图4所示。
实践中经过AD9834输出三角波信号，并输入比较器中，设定比较器的触发门限为三角波峰值。每逢三角波抵达峰值时，比较器会发生一个从低电平到高电平的跳变，这可作为JK触发器的触发电平，一起将J输进口和K输进口都接高电平，使其成为一个T触发器。终究将JK触发器的输出作为相位操控信号，然后完结相位翻转发生锯齿波[5]。
2.3 信号反应模块
为确保信号输出起伏牢靠性，除前期对信号的正确处理，还需求对体系输出信号进行峰值检测，并将丈量成果反应回MCU，构成一个体系的闭环反应，然后增大体系的输出牢靠性。
峰值检测电路(PKD，Peak Detector)的作用是对输入信号的峰值进行提取，发生输出Vo = Vpeak。为完结这样的方针，电路输出值会一向坚持，直到一个新的更大的峰值呈现或电路复位[6]。该模块首要由一个信号预处理电路和峰值检测电路构成，信号预处理电路确保送至峰值检测的信号可以被正确地丈量出来。峰值检测规划首要应考虑能否彻底满意测验信号带宽，并尽或许扩大可测信号起伏。
实践中规划的前级调度电路将信号分为五档由MCU挑选，还对信号换挡进行部分堆叠，对信号的处理和运用规模分别为：1)扩大40倍，用于丈量5mV至50mV的信号;2)扩大5倍，用于丈量40mV至250mV的信号;3)不处理直接丈量，用于丈量200mV至2V的信号;4)衰减7倍，用于丈量1.5V至14V的信号;5)衰减10倍，用于丈量10V至20V的信号。信号衰减直接经过电阻网络完结，扩大经过高速运放完结。
2.4 频率丈量模块
本试验体系中还包括有频率计检测模块，其试验原理是经过比较器将输入波形信号整形为方波信号，此刻得到的方波信号频率应和原信号频率持平，再利用MCU捕获方波信号的上升沿，完结频率丈量。
规划中应该考虑到可测输入信号的频率规模，信号幅值及MCU接纳电平缓响应速度，一起还要考虑到频率计对输入信号噪声的容限值，所以规划一个迟滞比较器，滞环约为20mV，该模块的中心电路如图5所示[7]。
实践电路中经过调整R3的电阻值可改动方波的上升速率，但会导致信号较大起伏的过充，将会影响MCU丈量[8]。一起，R3上拉电阻的电平值决议输出信号高电平幅值，设定为3.3V可以避免输出信号幅值过高损坏MCU。实践中发现频率计的带宽瓶颈并不在硬件自身，而取决于MCU的作业速率，当输入频率较高时，硬件电路依然可以较好地转化波形，但MCU因为作业时钟的原因不能精确捕获，导致可测信号带宽大约为500KHz。
3 结语
本体系选用上位机的计划来完结信号发生体系，可以长途经过恣意PC机操控。设备运用中，用户不需求触及任何开关及旋钮，且能主动完结输出信号换挡，确保其牢靠精确，削减用户在运用过程中的操作过程，运用本仪器时的学习本钱简直为零。体系可以发生必定频率的信号或检测某信号的频率功用，协助完结一些简略电子线路试验，而且具有频率丈量，正弦波、方波和三角波发生，及信号调制等功用，用户只需经过PC机上的界面，就可以完结多种功用且操作简略易行。
参考文献：
[1]张涛,陈亮.现代DDS的研讨进展与概述[J].电子科技. 2008.
[2]迟忠君,徐云,常飞.频率组成技能发展概述[J].现代科学仪器. 2006.
[3]沈建华. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与运用[M].北京:清华大学, 2004.
[4]宗接华.根据DDS的有用信号发生器规划[D].湖南:湖南大学,2011,12.
[5]尚飞,刘琳.双DDS芯片的锯齿波信号发生器规划[J].河北北方学报,2008,24(2):16-22.
[6]赛尔吉欧•佛朗哥.根据运算扩大器和模仿%&&&&&%的电路规划[M].西安:西安交通大学出版社,2009.
[7]Walt Jung.运算扩大器运用技能手册[M].北京:人民邮电出版社,2009.
[8]秦龙. MSP430单片机常用模块与归纳体系实例精讲[M].北京:电子工业出版社, 2007.
本文来源于我国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第52页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
