基于单片机的低频信号发生器的设计

杨 力 敬兴龙 李 江 新疆华隆油田科技股份有限公司

周云旭 西南石油大学

基于单片机的低频信号发生器的设计

杨 力 敬兴龙 李 江 新疆华隆油田科技股份有限公司

周云旭 西南石油大学

随着现代测量技术和现代通信技术的发展，信号源通常都要求要有具备高稳定度和高精度。直接数字频率合成技术的出现为新一代函数信号发生器的设计与实现提供了理论依据和技术支持。本文主要介绍一种通过直接数字频率合成的方法，采用AVR Mega16单片机作为控制核心的低频信号发生器，能产生频率从1～500Hz的正弦波、锯齿波、方波、三角波信号，具有频率稳定，性价比高的特点。

单片机；低频信号

引言

低频信号发生器是一种常用的基本电子设备，在实验教学、科学研究和生产中，都有着广泛的运用。在当前的频率合成技术中，直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，简称DDS)是一种新的频率合成技术，而且直接数字频率合成器是近年来发展比较迅速的一种新型器件，它采用了全数字技术，使其具有频率分辨率高、频率转换时间快、相位噪声低等诸多的优点[1]，并且还有很强的数字调制功能和其它功能，在通信等电子系统中使用这种技术，可以最大化的简化系统，降低生产成本，提高系统的可靠性。

1.直接数字频率合成技术

1.1 频率合成技术原理

DDS芯片中主要包括相位累加器、正弦计算器、数模转换器和低通滤波器[2]。相位累加器根据频率控制寄存器装载的用户输入的频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。

DDS技术产生正弦信号波形原理图如图2.1所示[3]。DDS的工作过程为：在时钟FC的作用下，相位累加器对频率控制字FCW进行线性累加，当相位累加器累积满时就会产生一次溢出，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。相位累加器输出的相位码送至相幅转换器进行转换，当取不同的频率控制字FCW时，相位累加器具有不同的相位增量，这样，相幅转换器输出正弦波形的频率就不同，经数模转换器(DAC)变换后得到模拟的阶梯波电压，再经低通滤波器平滑后即可得到所需的正弦波信号。

1.2 相位累加器

相位累加器是DDS最基本的组成部分，用于实现相位的累加并存储其累加结果。若当前相位累加器的值为，经过一个时钟周期后变为，则：

1.3 ROM正弦查询表

DDS正弦查询表所存储的数据是每一个相位所对应的二进制数字正弦幅值，在每一个时钟周期内，相位累加器输出序列进行寻址，输出为该相位相对应的二进制正弦幅值序列。ROM的存储量为×S比特，其中P为相位累加器的输出位数，S为ROM的输出位数。P和S值越大DDS输出的效果就越好，但是占用的ROM空间也越大，成本就会成倍提高，所以在设计时往往是根据实际情况选择合适的P值和S值，本文P和S值都为8。

2.低频信号发生器的实现

2.1 硬件电路设计

由于单片机不带D/A转换电路，所以需要另外设计。另外，本次设计的信号发生器频率较低，因此，本设计采用DAC0832进行数模转换，产生波形的选择由外部按键进行选择。

2.2 软件设计

根据各部分功能要求，整个系统的软件程序由按键程序、显示控制程序和数据处理程序组成，编程软件采用ICC AVR 6.31A进行编译。

图1 DDS技术产生信号波形原理图

图2 50Hz信号波形

按键程序：由键盘输入频率，将所输入的频率值通过LCD1602显示，根据所输入的频率值计算出相应的频率控制字，由频率控制字的值，读取正弦数据查询ROM表相应地址，最后将得到的地址中的数据取出，再通过DAC0832数模转换器输出。

锯齿波的产生原理：锯齿波中的斜线用一个个小台阶来逼近，在一个周期内从最小值开始逐步递增，当达到最大值后回到最小值，设定自变量不断地自加1，直到加到255，又自动归0，如此循环，适当选择循环时间，可以得到不同周期的锯齿波。

方波的产生原理：设定自变量使之延时一段时间，再令自变量在135时在延时与为0相同的时间，重复上述过程即可产生方波。

正弦波的产生原理：正弦波的产生比较特殊，它不能由单片机直接产生，它只能产生阶梯波来向正弦波逼近。很显然，在一个周期内阶梯波的阶梯数目越多，单片机输出的波形也就越接近正弦波。

三角波的产生原理：由单片机按照自增和自减直接输出结果即可得到三角波波形。

3.系统测试

经测试，系统可产生1～500Hz的信号，在高于500Hz后正弦波开始发生失真。通过按键选择波形频率为50Hz时得到的波形如图2所示。

本系统设计完成后，经测试各项指标均达到设计要求。从测量结果可看出，采用DDS技术实现的信号发生器各项指标比较稳定。

4. 结论

制作低频函数信号发生器具有多种方法，本文采用DDS方式实现，可根据实际需求设定信号特性，输出信号稳定，频率控制分辨率高，性能优良，方便实现个性化的低频信号发生器，具有较高的实用价值。

[1]鲁秋菊．基于单片机的DDS正弦信号发生器的设计[J]．电脑知识与技术．2011，30．

[2]王佳荣．基于DDS技术的信号发生器设计[D]．吉林大学．2015．

[3]孙素平．基于DDS技术信号发生器的研究与设计[D]．哈尔滨工业大学．2010．