基于DDS技術(shù)的智能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

        引言

        變壓器繞組變形測試儀是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要儀器之一，它需要程控的高精度的正弦信號(hào)才能正常工作。智能信號(hào)源為其提供了頻率按步長值可自動(dòng)更新輸出的掃頻信號(hào)，其性能的特點(diǎn)直接影響著變壓器繞組變形測試儀的研發(fā)工作。傳統(tǒng)的方法往往采取壓控振蕩器或分離模塊組成的“直接數(shù)字頻率合成器”（DDS）,但這些方法大都存在頻率精度較低、誤差大、使用不大方便等缺點(diǎn)[2]。為此，本文研制了一種基于DDS技術(shù)的智能信號(hào)源，具有頻率精度高，頻率范圍較寬，操作快捷方便等優(yōu)點(diǎn)。

       系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)

      系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。原理：根據(jù)鍵盤輸入的頻率控制字，單片機(jī)AT89C51控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生初始頻率為1KHZ的正弦信號(hào)，然后根據(jù)鍵入的步長設(shè)定值，連續(xù)地進(jìn)行頻率自動(dòng)增加并更新輸出1MHZ以內(nèi)的正弦信號(hào)，同時(shí)在液晶顯示模塊中顯示出相應(yīng)的頻率值來；濾波器采用5階巴特沃斯低通濾波器；功率放大選用寬帶高性能運(yùn)放AD811。

       DDS原理及芯片AD9850介紹

      DDS即直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，是一種運(yùn)用數(shù)字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生信號(hào)的方法。由于采用了全數(shù)字大規(guī)模集成技術(shù)，具有體積小、價(jià)格低、頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換快、合成范圍寬、信號(hào)純度高等優(yōu)點(diǎn)。

        圖2為DDS原理框圖，它主要由相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。在時(shí)鐘脈沖的控制下，相位累加器對(duì)輸入的頻率控制字不斷進(jìn)行累加得到相應(yīng)的相位碼，同時(shí)，相位碼序列作為地址信號(hào)去尋址波形存儲(chǔ)器進(jìn)行相位碼-幅度碼的轉(zhuǎn)換， 并輸出不同的幅度編碼。這一系列不同的幅度編碼經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的階梯電壓波，最后經(jīng)過低通濾波器平滑，即可得到相應(yīng)的正弦波形。輸出波形的頻率由下式計(jì)算：FOUT=(K* FCLK)/2N。頻率分辨率定義為：F=FCLK/2N。其中，F(xiàn)CLK為輸入?yún)⒖碱l率，K為輸入的頻率控制字，N為相位累加器的位數(shù)。
本文采用的DDS芯片AD9850可用的最高時(shí)鐘頻率達(dá)125MHZ, 相位累加器的位數(shù)為32，由上式可計(jì)算出在125MHZ時(shí)鐘頻率輸入下，頻率分辨率為0.0291HZ[4]。

       系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

       正弦信號(hào)輸出電路

       正弦信號(hào)輸出電路由鍵盤、液晶顯示、AT89C51和AD9850等組成。系統(tǒng)以AT89C51為核心，控制AD9850輸出正弦信號(hào)，同時(shí)實(shí)時(shí)處理鍵盤輸入的操作，并控制液晶顯示模塊輸出。

        其中，AT89C51與AD9850的接口電路如圖3所示。他們的接口既可采用并行方式也可采用串行方式, 但為了充分發(fā)揮芯片的高速性能, 應(yīng)在單片機(jī)資源允許的情況下盡可能選擇并行方式。AT89C51通過I/O口的P1口與AD9850的DO-D7口相連，分五次來發(fā)送頻率相位控制。每發(fā)送完一次控制字，須通過P3.1向AD9850的W_CLK端發(fā)送命令字來完成數(shù)據(jù)的加載，五次控制數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，再由P3.0控制FQ_UD進(jìn)行頻率/相位更新之后輸出信號(hào)波形。在系統(tǒng)上電之后，要先進(jìn)行AD9850復(fù)位和并行方式選擇的初始化，這兩點(diǎn)是芯片AD9850使用的關(guān)鍵技術(shù)。另外，輸出信號(hào)根據(jù)設(shè)定的步進(jìn)值進(jìn)行頻率自動(dòng)更新輸出是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

       濾波器電路

      由于AD9850的輸出是采樣信號(hào)，因此它的輸出頻譜遵循奈奎斯特采樣定理，譜內(nèi)既含有基波信號(hào)也含有高頻諧波信號(hào)。另外，DDS采用全數(shù)字技術(shù)，因而不可避免會(huì)存在雜散干擾，直接影響輸出信號(hào)的質(zhì)量。為了濾出AD9850每次轉(zhuǎn)換出現(xiàn)的所有雜波，我們?cè)诤蠹?jí)加上了30MHz的5階巴特沃斯低通濾波器，使信號(hào)波形純潔，失真度大大減少[5]，其電路圖如圖4。

        功率放大電路

        AD9850輸出信號(hào)的電流約為10mA,輸出阻抗50Ω，電壓≦0.5V，驅(qū)動(dòng)能力較弱,達(dá)不到變壓器繞組變形測試儀掃頻信號(hào)的要求，為此必須經(jīng)過功率放大電路驅(qū)動(dòng)后才能向繞組輸出掃頻信號(hào)。對(duì)于功率放大電路部分，我們選擇集成寬帶高性能運(yùn)算放大器AD811。AD811為電流反饋性寬帶運(yùn)放，其單位增益帶寬很寬，±15V供電情況下，-3dB帶寬達(dá)100MHZ，適合本系統(tǒng)的寬帶放大要求，且輸出電流可達(dá)100mA，可以滿足測試儀器掃頻信號(hào)要求。但是，為了滿足掃頻信號(hào)10V電壓的要求，需在功率放大電路之前，加一款寬帶運(yùn)算放大器將小信號(hào)放大到1V，然后再接AD811進(jìn)行功率放放大。ANALOG公司的寬頻高性能運(yùn)放AD810，可以滿足系統(tǒng)要求。其中，功率放大器AD811的電路圖如圖5。

            
        系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)單片機(jī)的程序編寫，依次完成液晶LCD的初始化、AD9850的復(fù)位和并行接口方式的初始化、掃描并讀取鍵盤、控制AD9850更新頻率輸出波形和LCD液晶顯示等。難點(diǎn)是AD9850的并行接口方式的初始化和根據(jù)步長設(shè)定值頻率自動(dòng)更新輸出波形。具體實(shí)現(xiàn)過程見軟件程序流程圖6。