基于DDS技術(shù)的正弦交流信號源的設(shè)計

摘要：以設(shè)計和實現(xiàn)可以進(jìn)行功率輸出的正弦波信號源為目的，提出了一種基于DDS技術(shù)，以單片機為控制核心、AD9850芯片為頻率合成器的正弦交流電流信號源的設(shè)計方法。該正弦交流電流信號源可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定且頻率范圍為1～100 Hz，電流幅值可調(diào)的正弦電流信號，具有一定的帶負(fù)載和功率輸出能力。該產(chǎn)品創(chuàng)造性地運用單片機向D／A寫入電壓控制字的方式間接控制和改變AD公司生產(chǎn)的AD603芯片對正弦波信號電壓幅值的增益，實現(xiàn)對于同一負(fù)載輸出交變電流的有效值可調(diào)節(jié)的功能，為同類信號源產(chǎn)品的功能改進(jìn)開辟了新的思路。
關(guān)鍵詞：DDS AD9850；正弦波；信號源

0 引言
直接數(shù)字合成技術(shù)(Direct Digital Syn-thesizer，DDS)是一種用數(shù)字控制方法，從一個參考頻率源產(chǎn)生多種頻率的技術(shù)，這種合成技術(shù)具有換頻速度快、分辨率高、相位噪聲低、信號純度高、可控制相位等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域。美國AD公司推出的高集成度的頻率合成器AD9850是DDS技術(shù)的典型產(chǎn)品之一，AD9850是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率相位數(shù)據(jù)寄存器、可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器。如在AD9850上接入精密時鐘源，可產(chǎn)生一個頻譜純凈，頻率、相位都可編程控制的正弦波信號。本文基于DDS技術(shù)的原理和AD9850芯片的優(yōu)良性能，設(shè)計并論述了一種可產(chǎn)生一定頻率，可調(diào)范圍為0～100 Hz的正弦波信號，且具有一定的帶載能力，電流幅值可調(diào)節(jié)(最大可控制輸出電流幅值為1 A)的交流信號源。該產(chǎn)品相比于以往的同類產(chǎn)品，進(jìn)一步改進(jìn)了其性能，有頻率可調(diào)、信號穩(wěn)定的優(yōu)點，并創(chuàng)造性的使用單片機對D／A的控制，間接實現(xiàn)了對輸出電流幅值的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的功率(電流)輸出。

1 正弦交流信號源的整體設(shè)計思路
該信號源以AVR的ATmega16單片機為核心、AD9850芯片為主體，采用HD7279芯片作為鍵盤、顯示接口。用戶可用鍵盤設(shè)定信號頻率和輸出電流的數(shù)值，由單片機將設(shè)定頻率轉(zhuǎn)換為AD9850的頻率控制字并送給AD9850，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波信號，同時單片機將對A／D采集到的電流值與用戶設(shè)定值進(jìn)行比較，對輸出電流進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，最終將輸出電流調(diào)節(jié)為設(shè)定值。電路中的低通濾波電路可以有效濾除頻率過高的信號，輸出環(huán)節(jié)中設(shè)有放大環(huán)節(jié)和有源濾波環(huán)節(jié)，可以有效保證正弦波電流信號的帶載能力和頻率的純正。電路中還設(shè)有信號調(diào)理電路，用于將電流互感器測得的交變電流信號電位調(diào)整為單片機A／D模塊模擬輸入的點位。該產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 ATmega16單片機的選用
該信號源采用AVR的ATmega16單片機，在結(jié)構(gòu)上，該款單片機由兩個具有獨立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器／計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器／計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，4通道PWM，8路10位ADC，8個單端通道，TQFP封裝的7個差分通道，2個具有可編程增益(1x，10x，200x)的差分通道，面向字節(jié)的兩線接口，2個可編程的串行USART，可工作于主機／從機模式的SPI串行接口，具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，片內(nèi)模擬比較器等組成。
在性能上，該款單片機具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)；具有131條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期；32個8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作；具有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器，16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH；具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程；真正的同時讀／寫操作；具有512 B E2PROM，1 KB的片內(nèi)SRAM，可以對鎖定位進(jìn)行編程。
運用ATmega16單片機實現(xiàn)對AD9850的控制編程簡便，接口簡單，成本較低，同時該款單片機體積較小，易實現(xiàn)小型化。因此采用AVR ATm ega16單片機作為該系統(tǒng)的控制核心來向AD9850發(fā)送控制字。在本產(chǎn)品中，單片機接人的晶振頻率為7．3728MHz。
2．2 AD9850芯片接口電路的設(shè)計
AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成?？删幊藾DS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由1個加法器和1個N位相位寄存器組成，N一般為24～32。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動DAC輸出模擬量。