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1、青 岛 科 技 大 学电 子 技 术 课 程 设 计函数信号发生器题 目 _王乐毅指导教师_王乐毅辅导教师_姜兰英学生姓名_学生学号_电气工程职业技术高职12级_学院_专业_班2014630_年 _月 _日函数信号发生器摘 要本系统基于直接数字频率合成技术，以AD9851DDS芯片为标准正弦波和方波合成器，并配合ATmega16L型单片机的ADC和PWM接口完成一定频率范围内的AGC（自动增益控制）功能，使得50负载上峰值达到6V1V；由电位器控制比较器阈值电压达到控制方波占空比的作用；三角波由积分电路产生控制正反程积分时间常数达到峰顶位置可调的目的。系统的频率范围在1Hz12MHz，稳定度优
2、于10-5，最小步进为10Hz。关键词：直接数字频率合成；AD9851；自动增益控制；阈值电压；积分电路；目 录1方案选择51.1电源部分设计选择51.2控制芯片选择51.3波形生成模块选择61.4增益控制模块设计选择71.5显示模块设计82系统总体设计92.1系统结构框图设计92.2硬件主要模块92.2.1电源部分92.2.2 DDS模块92.2.2.1正弦信号发生器102.2.2.2占空比可调的方波及三角波发生器102.2.3 AGC模块102.3软件部分设计112.3.1程序流程图112.2.2 PWM输出精度优化算法123理论分析与计算134测试数据及测试结果分析144.1正弦信号源参
3、数测试144.2方波占空比仿真155测试仪器与元器件175.1测试仪器175.2测试方法175.2.1模块测试175.2.2 系统整体测试175.3主要原件176结论187附录197.1电源部分电路设计197.2系统电路原理总图197.3系统电路PCB总图207.4控制部分Protues仿真图207.5Multisim方波三角波部分仿真图211.方案选择根据题目要求和本系统的设计思想，系统应该主要包括图1.1所示的电路模块。图1.1 系统结构图1.1 电源部分设计选择方案一：高频开关电源。开关电源具有功耗低，效率高，体积小的特点。但其制作成本较高，更重要的是其开关特性对电网和环境有很强的干扰，
4、往往会给系统带来不可预测的影响，在测试仪表等精密器械中不宜采用。方案二：线性稳压电源。电网电源经变压，整流滤波，通过稳压模块为整个系统提供合适的电源，虽然与开关电源相比有更高的功率损耗，但其低廉的制作价格以及稳定的输出使之成为仪表设计的首选。为了减小测试误差，避免电源带来的干扰，本着精度第一的原则，最终选择方案二。1.2 控制芯片选择方案一：采用现在比较通用的51系列单片机。51系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，但此系列单片机处理速度不是很快，资源不够充足，而且其最小系统的外围电路都要自己设计和制作，使用起来不是很方便，故不采用。方案二：选择AVR系列单片机
5、。具有很高的电流驱动能力，采用精简指令集，数据吞吐量大。再加上其方便的ADC接口和PWM接口，非常适合本系统的设计要求。 方案三：选择具有ARM Cortex-M3内核的STM32单片机。具有RISC和Thumb-2精简指令集，内置12位AD和DA，运行速度快，IO接口资源非常丰富，但价格相对较贵，会造成资源的浪费。鉴于题目中的要求以及AVR单片机自身的优点，本系统采用方案二。1.3 波形生成模块设计选择方案一：锁相环频率合成。如图1.2，锁相环主要由压控LC振荡器，环路滤波器，鉴相器，可编程分频器，晶振构成。且频率稳定度与晶振的稳定度相同，达10-5，集成度高，稳定性好；但是锁相环锁定频率较
6、慢，且有稳态相位误差，故不采用。图1.2 锁相环的基本原理方案二：采用Max038信号发生芯片。可以产生频率可调的正弦波，方波，三角波，方波的占空比可调，外围电路简单，输出信号幅值为2V峰峰值，非常稳定。但其致命缺点是震荡频率由外接震荡电容和输入电流决定。因此，频率稳定度和精确度受电容参数的离散性和DA精度的影响，难以实现精确地数。方案三：直接数字频率合成。直接数字频率合成DDFS（Direct Digital Frequency Synthesizer）基于Nyquist定理，将模拟信号采集，量化后存入存储器中，通过寻址查表输出波形数据，再经D/A转换，滤波，恢复原波形。DDFS 中大部分部
7、件都属于数字电路，集成度高、体积小、功耗低、可靠性、性价比高，易调试，输出线性调频信号相位连续，频率分辨率高，转换速度快，价格低。其频率稳定度和可靠性优于其它方案，故采用该方案。 由于方案三的实用性和廉价性，在满足题目要求的前提下，应该优先选择此方案。1.4 增益控制模块设计选择方案一：DAC控制增益。如图1.3，输入信号放大后作为基准电压送给DAC的Vref脚，相当于一个程控衰减器。再接一级放大，这两级放大可实现要求的放大倍数。输出接到有效值检测电路上，反馈给单片机。单片机根据反馈调节衰减器，实现AGC。还可通过输入模块预置增益值，控制DAC的输出，实现程控增益。但增益动态范围有限，故不采用
8、。图1.3 增益控制部分方案一框图方案二：电压控制增益。如图1.4，信号经缓冲器后进入可编程增益放大器PGA-AD603，放大后进入有效值测量部分，得出的有效值采样后送入单片机，再由单片机输出PWM波经整流后实现自动增益控制。图1.4 增益控制部分方案二框图1.5 显示模块设计方案一：采用8位LED配以MAX7219显示。控制简单，调试方便, 且串行显示占用I/O口少；但只能显示数字和简单字符，故不采用。方案二：采用点阵型液晶LCD1602。虽然占用I/O口多，控制复杂，但功能强大，可以显示ASCII码，提供全面的信息，功耗低，界面友好，控制灵活，使系统智能化、人性化，因此采用该方案。2.系统
9、总体设计2.1 系统结构框图设计根据题目要求和本系统的设计思想，系统主要包括图2.1所示模块。 图2.1 系统结构框图2.2 硬件主要模块2.2.1 电源部分 通过变压器降压耦合，整流桥及滤波电容整流和滤波，利用稳压模块7812,7912,7805,7905分别产生+12V，-12V，+5V，-5V的系统工作电压；同时，利用LM317输出0.2V至33V连续可调的直流电源。2.2.2 DDS模块2.2.2.1 正弦信号发生器AD9851是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器,它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。
10、接上精密时钟源,AD9851可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。AD9851接口功能控制简单,可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。2.2.2.2 占空比可调的方波及三角波发生器利用AD9851内置比较器将正弦波整形为方波，方波的占空比受电位器的控制。再经过积分电路将方波整形为三角波。此处用的运放为AD811，当放大倍数为10倍时，具有大于100MHz的带宽。如图2.2所示。图2.2方波与三角波整形电路图2.2.3 AGC模块如图2.3所示，以IC3为核心的AGC电路；以IC4为核心的检波电路。上电后，ATmega16复位，之后对AD9851初始化并使其
11、输出最后一次设置的频率，AD9851输出的信号经C6C10及L1、L2组成的滤波网络送入AD603。这里采用了AD603的典型接法，1脚和2脚的电压差决定了AD603的增益，如果1脚的电压大于2脚的电压，则AD603处于放大状态，差值越大增益越高；反之1脚的电压小于2脚的电压AD603将会衰减输入信号，增益控制灵敏度为25mV/dB。AD603的输出信号的一路由D1、R12、R13、C17组成的电路检波后经LM358直流放大送入ATmega16的模/数转换通道0，即ADC0，其中R10、R11、D2组成钳位电路使D1刚好导通，稳压二极管DW用于保护ADC0，防止对其输入过高电压。ATmega1
12、6将从ADC0采样到LM358的输出电压与内部预先设置好的数值进行比较，如果比设置值大，说明AD603增益过高，则ATmega16的PD5脚输出的PWM脉宽变宽，经三极管V构成的滤波电路后输出的直流电压降低，即AD603的1脚与2脚电压差减小，AD603的增益下降，输出信号的幅度减小，然后ATmega16再对其采样，直到与设置值相等PWM脉宽就不再变化。图2.3 AGC模块电路图2.3 软件部分设计2.3.1 程序流程图图2.4 主程序流程图2.3.2 PWM输出精度优化算法检波电路对不同频率的检波效率不一样，即频率较低时检波效率低，频率较高时检波效率高。简单的说，假定检波器的输入信号幅度不变
13、，1MHz时的输出电压小于20MHz时的输出电压。因此，简单地比较ADC0的电压与ATmega16内部设置好的数值并控制AD603将不能得到恒定幅度的输出，必须对已设置的数值进行矫正再与ADC0电压比较。可以先在程序上使ADC0的电压与内部设置好的数值比较，测量输出信号在1MHz20MHz（频率范围可以更宽）等间隔的数十个频点的幅度，一种做法是根据这些数据拟合出一条矫正曲线并用近似的方程表示，这样就可以得出矫正后的数值；另一种简单的做法就是分段矫正，将输出频率划分为数十个等间隔的频率段，对不同频率段乘以事先算好的矫正系数即可，这种办法简易实用，故为本机所用。3.理论分析与计算DDS的基本原理是
14、利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理可用图3.1来表示。图3.1 DDS原理图相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fs，加法器将频率控制字K与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加
15、器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。最后用低通滤波器滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。如果相位累加器的位数为,相位控制字的值为,频率控制字的位数为,频率控制字的值为, AD9851 内部工作时钟为,此时最终合成信号的频率可由公式(1)来决定 ,合成信号的相位由公式(2)来决定。 (1) (2)4.测试数据及测试结果分析4
16、.1 正弦信号源参数测试表4.1 正弦信号源频率及幅值测试设置频率（Hz）实测频率（Hz）相对误差（%）峰峰值Vp-p（V）11.0116.781010.070.76.46100100.040.046.411k1000.050.0056.2310k10000.0006.12100k.0006.051M.002e-65.7910M.003e-65.6112M.008.4e-45.33如上表所示，当信号频率在100Hz12MHz之间时，相对误差小于5%，信号峰峰值在6V0.7V之间。在较低频率段，有比较大的误差。表4.2 正弦信号源频率稳定度测试设置频率（Hz）第一次实测频率（Hz）第一次实测频率
17、（Hz）第一次实测频率（Hz）平均频率（Hz）11.011.011.011.011010.0710.0610.0610.06100100.04100.07100.06100.061k1000.051000.051000.041000.0510k10000.0010000.0010000.0010000.00100k.00.00.00.001M.00.40.00.1010M.00.00.70.2012M.00.20.00.00如上表所示，当信号频率在1MHz以下时，频率稳定度较好。误差应该是由系统误差造成的。系统测试指标均达到要求，部分指标超过题目要求。存在误差为人为误差、硬件误差、测量仪器误差
18、、杂散引入误差。减小误差可从改变电路，提高仪器精度，减弱外界干扰和多次测量取平均值等方面改善。4.2 方波占空比仿真仿真电路图如图4.1所示，仿真波形如图4.2所示。图4.1 方波占空比可调电路仿真图4.2 仿真波形需要说明的是，此处的LM393只是用作此处的仿真。在真实电路中，由于AD9851有内置的高速比较器，因此LM393的整形功能完全可以由AD9851代替。5.测试仪器与元器件5.1 测试仪器：60 MHz数字示波器 Tektronix 函数信号发生器 EE1640C 低频毫伏表 CA2172A 06GA0104四位半数字万用表 UT39A 失真度测试仪 QF4110 5.2 测试方法
19、5.2.1 模块测试将系统的各模块分开测试，调通后再进行整机调试，提高调试效率。5.2.2 系统整体测试将硬件模块和相应的软件的进行系统整机测试。依据设计要求，分别对输出波形、输出电压峰峰值、输出频率和功率放大器输出测试。测试输出电压的峰峰值时，对放大电路和AGC电路参数的适当调整，使输出频率在1Hz12MHz之间变化时能够满足Vpp6V1V。5.3 主要原件AVR单片机：ATmega16L-8PIDDS芯片：AD9851BRS程控放大器：AD603运算放大器：LM358液晶显示器：LCD16024*4矩阵键盘电阻电容若干6.结论经过仿真和实测，该系统可以输出1Hz12MHz频率范围内精度较高
20、的正弦波，方波，三角波，频率稳定度在1MHz以下可以达到十分令人满意的精度。矩阵键盘用于设定频率和波形选择，另有按键控制频率的步进。良好的频率稳定性展示了AD9851DDS芯片作信号源的优越性。基本完成了题目的基本部分和发挥部分，部分指标甚至超过了设计要求。但是，系统也存在有待改进之处，如通过提高系统中滤波器的阶数来改善输出信号的失真度，及减少干扰信号的引入。 附录1电源部分电路设计图 （DXP2004原理图，见图1）图1 线性电源电路图附录2系统电路原理总图 （DXP2004原理图，见图2）图2 系统电路总图附录3系统电路PCB总图 （DXP2004PCB图，见图3）图3 系统电路PCB图附录4控制部分Protues仿真图（见图4）图4 控制部分Protues仿真图附录5Multisim方波，三角波部分仿真图（见图5）图5 Multisim仿真图