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1、0高温信号源模块摘要：一种基于 DDS 与 MCU 的频率、幅度可 调的低功耗、宽频带、大功率信号源。关键词：频率幅度可调 低功耗 宽频带 大功率1.概述信号源是一种能够产生多种波形，如正弦波、矩形波（含方波）、三角波的电路。在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，需要用到各种各样的信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。信号源可以采用 LC 振荡器和 DDS 器件输出两种产生方式。本文介绍一种低功耗 DDS 器件、MUC 和后级信号处理电路产生高性能的正弦波与方波，通
2、过外接电阻调节频率与幅度。2.设计指标要求工作电压：5V18V频率范围：1KHz200KHz正弦波幅度：2V PP23V PP正弦波连续输出电流：2A方波幅度：5V18V方波连续输出电流：1.5A工作温度：-40+2003.线路方案设计3.1 系统原理框图 DSMCU 基 准 时 钟 仪 表 运 放功 率 放 大失 调 电 路稳 压 器图 1 系统原理框图注：功率放大模块分为正弦波功放和方波功放。3.2 线路原理图1图 2 系统电路图如上图 2 采用 DC/DC 稳压器为基准频率模块、MCU 和 DDS 供电，基频模块产生1KHz20MHz 基准频率，为 DDS 芯片提供工作频率。MCU 与
3、DDS 通过程序设置产生正弦波与方波信号，两路正弦波通过仪表放大后，滤除干扰信号稳定放大有用信号，在经过功率放大提高信号的带载能力。方波信号直接通过 DDS 内部寄存器设置产生与正弦波同频的方波信号，经过功率芯片，产生带载能力。3.3 各模块单元电路3.3.1 稳压器电路稳压器模块采用两种方案，方案一采用 LDO 模块，方案二采用 DC/DC 模块。方案一优点是成本低，噪声低，静态电流小，不足之处在于 15V 转 3.3V 下，芯片自身功耗比较大，效率不高。而采用方案二，高效率，宽输入电压，输出大电流，静态电流小，不足之处在于输出纹波相对比较大，价格较高。综合考虑选择方案二，模块外围只需接三个
4、元件，可以输出稳定的电压，实验发现DC/DC 模块带载情况下纹波电压对基准频率影响很小，基准频率电路、MCU 和 DDS 耗散功率很小，DC/DC 模块具备足够的负载能力。3.3.2 基准时钟电路基准时钟电路的 EST 引脚与外部 3.3V/5V 电源之间外接电阻，可以输出 1KHz20MHz的频率信号，作为 DDS 的主时钟,产生分频信号，作为后级输出信号频率的基准。外部基准时钟通过电阻调节改变 DDS 运行时钟，相对于通过 MCU 编写程序产生的时钟信号，其操作方便，频率更加稳定，减少 MCU 功耗。3.3.3 MCU 与 DDS 电路MCU 与 DDS 之间连接，通过程序编写，可以输出幅
5、度较小的正弦波信号，通过设置 DDS内部寄存器，可以直接输出方波信号。2输出信号的频率由基准时钟控制。程序下载完成程序下载端口需用电容连接，防止程序运行有时出现掉电或者死机。两路正弦波输出电流信号，接电阻对地使电流信号变为电压信号，加电容是将程序处理的阶梯波形滤的平滑。输出电阻太大或者太小，造成输出波形幅度减弱。滤波电容太小，起不到滤阶梯波的目的，电容太大，输出容抗太小，负载电流很大，使后级波形的幅度降低。3.3.4 仪表运放加失调电路由于 DDS 输出的两路正弦波信号微弱，直接放大共模干扰太大，采用仪表运放电路，仪表运放具有超低的输入阻抗，及其良好的 CMRR（共模抑制比），输入偏置低，放大
6、差模信号，共模信号只其跟随作用，是一种特殊的差动放大器。放大增益可以直接在仪表的增益端接电阻调节。由于输入信号的频率范围比较宽，所以在选择仪表运放时需要考虑足够的带宽与放大倍数。由于仪表运放的低输入偏置电流与失调电流误差，实际输出信号中存在一定的直流信号。滤除直流信号有两种方式。方法一设计带通滤波器，功率放大前后级为减少直流偏置放大，设定增益为 1，通频带设计在 1.6HZ16MHZ，但是考虑到高通部分需要至少滤波电容 C0.01uF，则低通部分电阻值相对比较小（200），对于仪表运放来说是大负载，对于输出波形的幅度有一定的影响。方案二采用精密轨对轨运放，采用反向运放原理根据电压负反馈方式使输
7、出信号的直流电压减小，使得输出更加稳定，反馈网络中 RC 组成低通滤波器，需要通过实验调节 RC 的参数。电容的容抗计算公式：Zc=1/（j2fc） （3.3.4）由于带通滤波器的 RC 参数不能满足实验要求，所以采用方案二，采用反向放大的电压负反馈调节减小输出电流值。3.3.5 功率放大电路 仪表输出加偏置电路调节后输出的直流比较小的交流信号，在经过增益为 1 的功率运算放大器，使信号的带载能力增加。由于用户的负载电流可能比较大，在使用时需要根据产生的热功耗选择足够面积的散热，为功率器件设计导热能力好的单面铝基板，非功率器件设计高温双面 PCB。输出正弦波图形如图 3图 3 输出正弦波方波功
8、放电路，方波输出幅度和 DDS 工作电压一致，再经过功放处理，输出波形的幅3度和带载能力均增大，频率随基准频率的变化而改变。DDS 部分电原理框图如图 11 所示，MSB 不通过 DIVIDE BY 2 直接触发到 MUX，直接产生方波。若采用正弦波转方波电路，电路复杂，频率稳定度不高，功率波形的“尖刺”比较大。DDS 输出方波如图 4：图 4 方波输出4.器件选型及参数计算系统设计选型时考虑器件功耗小，尺寸小，工作电压范围宽，带载能力强，工作温度范围宽等精密器件。4.1 稳压器DC/DC 电源模块，转换效率高，静态电流小，工作电压宽，工作温度范围大，输出管脚接 LC 滤波，LC 匹配很重要，
9、实验确定 L=47uH 的贴片电感，C=4.7uF 电容。4.2 基准时钟工作温度范围大，小于 2%最高频率误差，通过外界电阻 RSET调节，选用小封装。4.3 MCU工作温度范围大，多引脚小封装。为减小功耗，采用内部低频时钟源。通过很少的程序接口可以实现程序编写，操作简单。4.4 DDS功耗小，选择小封装，工作时钟速率与 MCU 兼容，允许外部控制其掉电方式，是敏感性应用的理想选择。4.5 仪表放大器功耗小，宽频带特性，低噪声，高精度直流性能，工作电压宽，工作温度范围大，选用小封装，增益可以通过单个电阻 RG设置，增益计算公式如 4.2 式，广泛应用于精密数据采集系统，前置放大器等领域。G=
10、1+（9.9kG/R G） （4.2） 4.6 失调电路精密轨对轨运放，带宽大,低噪声，根据反向运放采用电压负反馈滤除仪表运放的输出直流信号，芯片外围 RC 组成低通滤波器，截止频率计算公式 4.3 如下：4f=1/（2RC） （4.3） 4.7 功放电路4.7.1 正弦波功率放大输出电流大，工作电压与温度范围宽，封装散热性好，还需要根据功耗大小设计合适的散热面积。4.7.2 方波功率放大峰值电流大，上升和截止速度很快，低功耗，小封装。4.8 电阻、电感和电容选择表贴封装，耐压高，封装小，旁路电容与滤波电感尽量靠近器件引脚，根据器件作用选择精度不同的元件。5.组装与设计5.1 外壳设计设计信号
11、源模块，考虑器件尺寸以及散热需要，选择钢材料的 BOX8025 外壳，实物如图 5：图 5 外壳实物5.2 内部设计考虑本设计中主要发热器件包括：功率放大功耗大，版图设计时，将主要的发热功率器件与非功率器件隔离开，非功率器件设计高温双面 PCB，功率器件设计导热能力良好的单面铝基板。6.结束语低功耗、宽频带、大功率信号源模块设计，幅度与频率可通过外接电阻调节，输出具有负载能力的正弦波或者方波，外壳尺寸小，抗干扰性强，可用于电子测试与设计，压电元器件筛选及测试，功率器件及电路驱动，也可用于单相陀螺传感器或者其他角度传感器激励。参考文献：1 童诗白. 模拟电子技术基础. 第四版. 高等教育出版社. 2006 年2 仪表运放工程师指南第 2 版3 森荣二（日）.LC 滤波器设计与制作M.北京：科学初版设，2006.4 张立强，于伟，柴东编著. 电路原理图与 PCB 板设计教程 Protel M.北京：科学出版设，200455 范世贵主编，电路基础M.3 版.西安：西北工业大学出版社，2006. 6 刘永军编著.微型计算机技术与接口应用基础M.北京：清华大学出版社，2011.
