基于信号发生器的研究

李杨华

【摘 要】本文中的信号发生器以AD公司的AD9850直接数字合成芯片为核心，用Atmel公司的单片机AT89S51对AD9850进行控制。设计出了系统硬件电路的系统框图，并使用multisim软件对部分硬件电路进行了仿真。本系统能够实现正弦波、方波、三角波的输出，以及幅值的调节。实验表明，此信号发生器工作稳定，易于实现，输出频率分辨率高，可以满足实际应用中不断提高的要求。

【关键词】信号发生器，Multisim ，AD9850

在工业自动化系统中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号。随着工业的发展，对信号的保真度、频率的稳定性、准确性、幅值的稳定性提出了越来越高的要求，作为电子系统必不可少的组成部分的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。 信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域[1] . 它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，几乎所有的电参量的测量都要用到信号发生器。然而在电子技术领域中经常用到的信号发生器，长期以来都是被模拟电路统治着。这类信号源频率可达几百兆赫，在高频范围内其频率稳定度高、可调性好。可是在许多测试设备或是数字系统中常常需要用到低频信号源。由传统的方法构成的低频信号源，其性能不能令人满意。而且用于低频，其RC要很大，大电阻、大電容制造有困难，参数的准确度难以保证，体积大、漏电损耗显著。

本课题的设计目的就是为了解决传统信号发生器所存在的问题，选择一种合适的方案，设计一种以单片机技术为基础的，可以对输出频率进行控制，在低频情况下实现三种波形信号输出的数字信号发生器。

一、系统硬件电路的设计

设计的整体设计思路是：用单片机AT89S51作为控制系统，对DDS芯片AD9850进行控制，由AD9850内部的DAC输出端口输出正弦波，外接双极性输出的I/V转换电路，将AD9850内部的DAC输出的电流信号转化为可以调节的电压信号，对输出信号的幅值进行精确控制，经低通滤波器，滤去杂波后从AD9850的内部比较器的输入端输入AD9850，则可从其比较器的输出端输出方波，再接一个积分电路则可将方波转化为三角波，实现三种波形的输出。同时通过双极性输出的I/V转换电路可以实现对输出电压的控制。整个硬件电路由数字开关、单片机、数据锁存器、系统时钟电路、信号发生电路、幅值调节电路、低通滤波器以及波形转换电路几部分组成。将单片机AT89S51的P1口作为输入端口，外接八个数字开关及八个发光二极管，八个数字开关用来实现对单片机控制信号的输入。通过编写软件，不断读取P1口的值，当任意数字开关按下时，单片机 将其所对应的控制字由P0口输出，经过数据锁存器发送给AD9850。单片机的P3口作为控制端口，用来控制和输出AD9850的控制字装入时钟W_CLK和频率更新控制时钟FQ_UD以及AD9850的复位端。由DDS芯片产生的正弦波信号经I/V转换电路可以将电流信号转化为电压信号，同时可以实现对输出波形幅度的控制和调节，经低通滤波器滤除杂波后由OUT1端口输出正弦波，由OUT1输出的正弦波信号再经AD9850内部的比较器后由OUT2端口输出方波，在经过积分电路即可输出三角波形。

二、系统的技术指标

（1）输出频率范围：1Hz—1MHz

（2）分辨率：0.1% FSR

（3）幅值变化范围：-10V—10V

（4）输出波形：正弦波、方波、三角波

三、利用 multisim仿真软件对低通滤波电路进行仿真

（一）当输入一个450kHz的正弦信号时

经过二阶低通滤波器后的波形如图2所示，图形未失真，经过同相放大电路后，又将信号放大2倍且并未发生失真如图3所示。

（二）当输入一个1MHz的正弦波信号时

低通滤波电路的输出波形仍未失真，但是当继续加大输入信号的频率时，经低通滤波电路输出的波形将会发生失真，因此，可得出此低通滤波电路的截止频率为1MHz，这与技术指标是想吻合的。

四、硬件电路设计过程中应注意的问题

由于本次设计既有数字电路又有模拟电路，因此地线的走向和排布非常重要。因为数字地上的各种杂散干扰很强，一旦通过地线串到模拟地，会严重影响模拟电路性能。为了防止数字电路噪声窜入模拟电路而影响其性能，数字地（DGND）网络和模拟地（AGND）网络在电路中尽量物理分开，两地线网络之间采用单点接地，尽量加大模拟电路的地线面积，数字电路接地则尽量构成环路，从而减小电路中的电位差值，提高抗噪声能力。

参考文献：

[1][英]A·M·鲁特金.常用电子测量仪器的使用[M].谢瑞和，黄志良，王观兰译，电子工业出版社，1985年7月第一版。

[2]朱晓斌.电子测量仪器[M]. 电子工业出版社，1996：23-35。

[3]吴文全，叶晓慧. μΩ级小电阻测量方法研究..电测与仪表，2003。

[4]王禹桥，李威，严旭. 基于C8051F005单片机的小电阻测试仪.微计算机信息，2004，09。