基于AD9834的多功能函数信号发生器的设计
摘要：介绍了DDS的原理，并采用ATmega48处理器和DDS芯片AD9834实现了多功能函数信号发生器的软硬件设计。该信号发生器除能产生正弦波、方波和三角波多种波形外，还具有占空比、振幅程控可调，信号数字调制和扫频等功能，实验表明该设备性能稳定，成本低，失真度低。
关键词：直接频率合成技术（DDS）；椭圆滤波器；贝塞尔滤波器；FSK、PSK调制
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）33-7606-03
在电子，通信，电力系统等多领域的实验和测量中，常需要使用特定波形，特定频率和特定幅值的电信号作为测试输入激励或载波信号等，以完成对电子系统的信号分析、功能测试或信号调制的实现。函数信号发生器不仅能实现上述功能，还是网络分析仪，频谱仪等高性能仪器的重要组成部分。因此说函数信号发生器有着广泛的使用范围和重要的研究意义[1-4]。函数信号发生器又称信号源或振荡器，能产生三角波、方波，正弦波等多种波形。DDS（直接数字频率合成器）作为一项关键的数字化技术，具有频率切换速度快、频率分辨率高、相位连续变换，稳定度高、集成度高等优点[5]。该文以Atmega48为处理器结合DDS芯片AD9834设计了性能稳定，精度可靠的多功能函数信号发生器。
1 DDS工作原理
DDS技术是从连续信号的相位Φ出发，将一个余弦信号取样、量化、编码，形成一个余弦函数表存储在ROM中。合成时改变相位增量，由于增量不同，一个周期内的取点数也不同，这样产生的正弦信号的频率也就不同，从而达到频率合成的目的。
本系统采用TI公司的DDS芯片AD9834。其中它的相位累加器为28位，取其高12位作为读取余弦波形存储器的地址，其最高工作时钟频率为75MHZ，可产生高达30MHZ的波形，其DAC分辨率是10位[6]。
AD9834 的频率控制字由式（1）求得
[f=Δphase×fmclk/228] （1）
式中， [0<Δphase<228-1]，[fmclk]最高可达75MHZ，它是由高稳定度晶体振荡器获得或由其他器件编
程提供， 用来同步整个合成器的各个组成部分。
相位控制字由式（2）求得
[ΔP=K×2π/4096] （2）
式中，[0 2 函数信号发生器的硬件设计 由多路开关就可选择振幅程控可调的三角波、正弦波的发生和占空比精密可调的方波，以及扫频和调制信号的产生。程控调节由键盘输入，经单片机处理后显示在液晶屏幕上。为保证0-15MHZ的信号频带，降低非线性失真，对正弦波和三角波分别采用了五阶椭圆滤波和贝塞尔滤波。 2.1 AD9834的外围电路 AD9834的外围电路图，由75M的外部有源晶振作为AD9834的主频时钟，控制引脚FSYNC、SCLK、SDATA、PSELECT、FSELECT分别与ATmega48核心控制器连接。引脚PSELECT与FSELECT分别用来选择相位寄存器和频率寄存器，ATmega48通过AD9834的FSYNC、SCLK、SDATA三根信号线串行加载到AD9834的频率/相位寄存器，使芯片输出要求频率/相位的信号。信号输出口IOUTB和IOUT两路分别输出正弦波和三角波。 2.2 滤波器电路 为降低正弦波的输出杂散，应陡峭程度较好的椭圆滤波，图1为五阶椭圆滤波器的原理图。 根据由仿真实验结果分析：该椭圆滤波器0dB带宽为15MHz，带内纹波小于1dB，在30MHz时其增益为-28dB。该滤波器性能优良，能出色的完成对DAC输出信号的杂散的抑制。 为减小三角波的输出杂散，又充分考虑到滤波器的相频特性，应该选用具有平坦时延（线形相位）的贝塞尔低通滤波器。 2.3 AD8564构成的滞回比较器 AD8564是ADI公司的一款低功耗、传输延迟为7ns的超高速比较器芯片，它满足单电源工模式，而且输出信号为TTL电平。AD8564构成的滞回比较器的阈值电压计算公式为： [VHI=（V+-1-VREF）R1R1+R2+VREF] （3） [VLO=（R2R1+R2）VREF] （4） 根据实际电路我们取[V+=5V]，[R1=1.25K]，[R2=1M]，输入振幅为3V，则占空比[Ψ]与[VREF]的关系式为：[Ψ=12+VREF6]。X9312是一种固态非易失性数字电位器，内含100个抽头，支持TTL电平，可与单片机实现三线串行通信。它具有高精度、高稳定度的优点，由于它的程控特点，它在电路中起到了程控占空比的作用。 其中[V+]为电源电压，[VREF]为参考电压。AD8564构成的滞回比较器电路图AD1583是一款精密基准电压源芯片，10Hz带内噪音只有85uV，利用它做基准电压源，与高精度的X9312配合就可产生高精度，低噪音和可程控的滞回比较器参考电压，从而实现对方波占空比的调节。 2.4 AD8320构成的可控增益放大电路 AD8320是ADI公司生产的一款宽带宽、可数控的可控增益芯片。它的带宽高达150MHZ，可以实现增益（V/V）的256个步进的线性调节，增益误差为0.2dB，因此可用它来实现振幅的程控调节。它的增益计算公式为： [AV=0.316+0.077Code（RL=75Ω）] （5） 其中[AV]为增益（V/V），Code为其内部寄存器的写入数据，负载为75Ω（若负载改变则增益计算公式也会相应改变，但是其线性关系是不变的）。在AD8320 中， SPI 是一个同步串行通讯接口，它采用三根信号线SDATA、DATEN 和CLK来传送数据及同步时钟， 同时接收8 位数据并通过使能线DATEN 来控制数据的输入以实现串行通信。它的输出增益由一个8 比特字决定， 其增益变化范围大于53. 4dB ，增益变换为0. 75 dB/ LSB。
3 系统软件设计
系统软件主要有按键扫描和分支执行两大部分组成。按键扫描是指对于按键信号的接收，包括系统输出功能的选择，合成信号频率，占空比数值，调幅幅度等。再经过按键信号处理以判断命令或数据，从而转向不同功能并将系统状态实时送显示。
本系统软件设计中一项重要的内容是完成对AD9834的配置，只有对其进行正确的配置和设置，才能很好的实现系统功能。对AD9834的设置包括对AD9834的初始化配置和根据不同要求对其写入不同的频率控制字和幅度控制字。对其进行配置的一个基本模块程序如下所示。注意对AD9834读写时要先进行复位（软件复位和硬件复位）本程序采用软件复位。
void init_dds（uint fre，uint sfre）
//写入频率控制字和相位控制字
{dds_clk=1； dds_en=1； delay（100）；dds_en=0； delay（100）； dds_en=1；
delay（100）；
write_2byte（0x2100）//AD9834复位开
write_2byte（0x2000）； //writecommand；28mode
write_2byte（fre）；//write LSB of freq0 reg
write_2byte（sfre）；//write MSB of freq0 reg
write_2byte（0x2900）；
write_2byte（0x8000）；//write LSB of freq1 reg
write_2byte（0x803F）；//write MSB of freq1 reg
write_2byte（0xC000）；//write phase0 reg
write_2byte（0xF000）；//write phase1 reg
write_2byte（0x2000）；
rst=0； }
4 实验测试
本仪器设计完成后，经测试所有指标均达到设计要求，该函数发生器最大发生的无明显失真的波形频率是15MHZ，在15MHZ以内波形非线形失真度优于1%，其频率稳定度优于[10-4]输出幅度误差优于1%。表1、2、3分别给出了测试结果。
5 结论
该函数信号发生器以DDS芯片AD9834为核心，经反复调试，最终实现了发生波形失真度小、稳定度高、多种参量可数控的特点，有着模拟函数发生器不可比拟的优点。该函数发生器以其低成本、高稳定度、低失真度的优点，必将在教学和实际生产应用中有着广泛的前景。
参考文献：
[1] 唐奎，何建华，孔凡光.基于频率合成技术的信号源与示波器集成设计[J]. 计算机测量与控制，2012，20（7）：2007-2009.
[2] 张家田，杨忠华，严正国.基于C8051F060和AD9834的频率响应测试仪设计[J].电子元器件应用，2010，12（10）：12-15.
[3] 徐浩，周凤星，严保康.真空阀质量检测平台的设计与实现[J]. 电子测量技术，2012，35（1）：116-119.
[4]丁磊，周凤星.基于DDS 技术的电磁阀检测平台的设计[J]. 电子设计工程，2012，19（12）：150-152.
[5] 曾芳，李勇. 基于DDS芯片AD9852的正弦信号发生器及其在通信中的应用[J]. 电子测量技术， 2007， 30（9）：150-152.
[6] AD9834芯片说明书[Z].美国国家半导体公司，2003.