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1、1 引言信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器7。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断
2、、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。正弦信号发生器的实现方法通常有以下几种：（1）用分立元件组成的信号发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。 （2）采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 （3）采用锁相环间接频率合成 (Phase Lock Loop简称PLL)。虽然具有工作频率高、宽带、频谱质量好的优点，但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长
3、，故频率转换时间较长。另外，由模拟方法合成的正弦波的参数(如幅度、频率和相位等)都很难控制，不易实现2。 （4）用专用直接数字合成（Direct Digital Synthesizer简称DDS）芯片的信号发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。用随机读/写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求，以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存在存储器内的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形。由于DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短(可小于20微妙)，频率分辨率高，全数字化结构便于集成以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。与传统
4、的频率合成相比，DDS有如下优点：频率切换时间短DDS的频率转换可以近似认为是即时的，这是因为它的相位序列在时间上是离散的，在频率控制字K改变以后，要经过一个时钟周期之后才能按照新的相位增量增加，所以也可以说它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期=1/。如果 =10MHz，转换时间即为100ns，当时钟频率进一步提高，转换时间将会更短，但再短也不能少于数门电路的延迟时间。目前，集成DDS产品的频率转换时间可达10ns的量级，这是目前常用的锁相频率合成技术无法做到的。频率分辨率高DDS的最低输出频率 = = / M=/，也就是它的最小频率步进量,其中N为相位累加器的位数，可见只
5、要相位累加器有足够的字长，实现非常精密的分辨率没有多大的困难。例如可以实现Hz，MHz甚至Hz的频率分辨率，而传统的频率合成技术要实现这样的频率分辨率十分困难，甚至是不可能的 。相位变化连续DDS改变输出频率实际上改变的是每次的相位增量，即改变相位的增产速度。当频率控制字由K1变为K2之后，它是在己有的积累相位nK1之上，再没次累加K2，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其斜率发生了突变，因而保持了输出信号相位的连续性。具有低相位噪声和低漂移DDS系统中合成信号的频率稳定度直接由参考源的频率稳定度决定，合成信号的相位噪声与参考源的相位噪声相同。而在大多数DDS系统应用中，一般由固定的
6、晶振来产生基准频率，所以其具有极好的相位噪声和漂移特性。易于集成、易于调整DDS中除了D/A转换和滤波器之外，几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，不需要任何调整。可以产生任意波形用专用直接数字合成DDS芯片的信号发生器，能产生正弦波、方波、三角波，锯齿波等任意波形。2 系统方案的设计与论证2.1 系统的设计要求 本系统通过DDS（Direct Digital Synthesizer）芯片AD9850以及一个单片机来设计一个正弦信号发生器。本设计的指标要求如下： （1）利用DDS产生单频正弦信号； （2）正弦波输出频率范围：1KHz10MHz； （3）扫频输出频率范围为1K10MHz，输出电压
7、范围为0.1V2V; （4）具有频率设置功能，步进为1KHz。 2.2 方案论证2.2.1 系统总体方案论证方案一:采用数控电压控制的压控振荡器（voltage-controlled oscillator简称VCO）。运用电感和变容二极管构成LC 正弦谐振电路,通过微处理器改变变容二极管的控制电压,达到电容值改变,从而实现正弦信号输出频率的数字控制. 但目前变容二极管的变容比最大只能达到9倍或10倍,根据可知, / 为3 左右,即VCO输出的频率的变化范围大约为至3。因此,数控VCO 的频率变化范围不宽,很难达到1 kHz10 MHz 范围要求。 方案二：用8位51单片机为主要控制单元，使用传
8、统的锁相频率合成方法。通过MOTOROLA公司生产的芯片IC145152，压控振荡器搭接的锁相环电路输出稳定性极好的正弦波，再利用过零比较器转换成方波，积分电路转换成三角波。虽然锁相环（PLL）可以实现各种频率的合成，但是要求频率范围在1 kHz10 MHz频率分辨率为1KHz的正弦信号设计很困难，且电路复杂，干扰因素多，故而不易实现。PLL设计系统结构如图1所示：MC145152AT89S52键盘显示宽带运放调制信号基波信号模拟乘法器VOC数据选择器图1 PLL设计系统结构 方案三：以8位51单片机为主要控制单元，采用专用的DDS 芯片, AD 公司生产的DDS专用芯片AD9850,输出的信
9、号频带宽,最大能输出50MHz的正弦波信号,精度达0.04 Hz。芯片外围电路简单,功耗低,性价比高。而且AD9850 的相位也可以通过写入控制字进行控制,可以方便地实现相移键控法（phase shift keying简称PSK）功能。DDS系统方框图如图2所示：放大电路输出电路AD9850主 控 芯 片AT89S52LCD显示键盘电 路图2 DDS系统方框图以上三种方案综合考虑，选择方案三。2.2.2 单片机的选择与论证方案一：SPCE061A是一款16位结构的控制器，内嵌32K字闪存FLASH，处理速度高，尤其适用于语音播报和识别等领域，是数字与语音识别与语音信号处理的理想产品，但其结构复
10、杂，价格昂贵。方案二：AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机、而且其价格便宜。以上两种方案经过综合考虑选择AT89S52作为本系统设计的理想单片机。2.2.3 显示方案论证方案一：采用LED数码管。LED数码管由8个发光二极管组成，每只数码管轮流显示各自的字符。由于人眼具有视觉暂留特性，当每只数码管显示的时间间隔小于1/16s时人眼感觉不到闪动，看到的是每只数码管常亮。使用数码管显示编程较易，但要显示内容多，而且数码管不能显示字母。方案二：采用液晶LCD1602显示，可
11、以显示所有字符及自定义字符，并能同时显示多组数据汉字，字符清晰。由于自身具有控制器，不但可以减轻主单片机的负担，而且可以实现菜单驱动方式的显示结果，实现编辑模块全屏幕编辑的功能，达到友好的人机界面。用液晶1602显示，能解决LED只能显示数字等几个简单字符的缺点，接口电路简单，性能好，效果多，控制方便，显示的方式多。比较上述两种方案，采用方案二。3 模块原理与芯片介绍3.1 模块原理3.1.1 DDS模块原理DDS的工作原理是以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波。电路包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器。频率累加器对输入信号进行累加运算，
12、产生频率控制数据X（frequency data或相位步进量）。相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的2进制码进行累加运算，是典型的反馈电路，产生累加结果Y。幅度/相位转换电路实质上是一个波形寄存器，以供查表使用。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器5。DDS的理论基础是Nyquist抽样定理。抽样定理内容是：当抽样频率大于等于模拟信号频率的2倍时，可以由抽样得到的离散信号无失真地恢复原始信号。在DDS中，这个过程被颠倒过来了。DDS不是对一个模拟信号进行抽样，而是一个假定抽样过程已经发生且抽样的值已经量化完成，如何通过某种映射把已经量化的数值送到D/A及后级的低通滤波
13、器重建原始信号的问题。DDS正弦输出原理框图如图3所示：频率控制字相位累加器波形乘储器数模转换器低通滤波器图3 正弦输出的DDS原理框图对于计数容量为2N相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为K，输出信号频率为，参考时钟频率为，则DDS系统输出信号的频率为 =k/；输出信号频率的频率分辨率为=/由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为=/2频率控制字可由以上公式推出：K=f o/。根据Nyquist 准则, 允许输出的最高频率为 =/2 , 但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制,实际输出的最高频率仍能达到0.4。可见,DDS 具有输出频率相
14、对带宽较宽的特点。DDS 的频率精度由相位累加器的位数N 决定。理论上,只要增加相位累加器的位数N 即可获得任意小的频率分辨率。目前,大多数DDS 的分辨率在1Hz 数量级,许多可达到0. 001Hz。DDS 的诸多优点使它得到了非常广泛的应用,现在国外已经有许多非常成熟的DDS 芯片。如美国QUALCOMM公司的Q2334，Q2220；STANFORD公司的STEL-1175，STEL-1180；AD公司的AD7008，AD9850，AD9854，AD9850，AD7329，TI公司的TLC548，TLC549，TLV5616，TLV5580等。其中,AD9850 是美国AD公司生产的一款典
15、型的DDS 芯片。它的最高时钟为125MHz。然而，AD9851内部有六倍频器，工作时钟可达200M。本正弦信号发生器的设计正是用AD9850 作为DDS 的核心，外部晶振为100MHz。本系统设计的DDS模块的PCB图如图4所示：图4 DDS模块的PCB图3.1.2 液晶显示模块液晶模块采用的是液晶LCD1602字符型液晶，字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”，1602LCD分为带背
