基于SLH89F5162的信号发生器设计 - 全文

我是MT

一、项目设计背景及概述　　1.1 技术背景
　　信号发生器是最重要的测量仪器之一，随着测试对象的多样化和数字技术的进步，信号发生器获得了广泛的应用和快速的发展。正弦信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。它能满足测试系统的多种要求，成为了系统综合测试中不可缺少的组成部分。
　　信号发生的主要实现方法根据实现思路可以分为模拟式和数字式，根据实现方法可以分为直接法、锁相法、直接数字法和混合法四种。
　　直接法是优点是速度快，相位噪声底，但结构复杂、杂散多。锁相法所采用的锁相频率合成技术在近年发展较快，应用也较广泛，但其频率转换速度不快，电路控制复杂，这使得该技术的应用受到了一定的限制。直接数字法是采用直接数字合成（DDS）的方法实现信号产生。该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出特点。在信号发生的几种技术当中，直接数字合成技术出现得最晚，但近年来发展得最快。随着大规模集成技术和数模混合信号集成技术的发展，单片集成的DDS芯片纷纷出现，在应用领域内大有后来居上的势头。混合法则是指采用以上方法中的两种及两种以上的方法实现信号发生。
　　随着现代信息事业的发展，测试对象不断丰富，现代通信系统和电子系统对测试系统提出了越来越高的要求，进而对信号发生器也提出了更高的要求。我们将当前业内对信号发生部件的要求大致归纳为以下四点：
　　（1）高频谱纯度、宽频带。
　　随着技术的发展，被测试对象性能指标的提高必然要求测试系统性能相应提高。
　　（2 ） 快速和多点频率捷变。
　　为适应电子战的需要，新一代雷达要求能实现多点频率捷变，捷变时间应达到us量级，电子对抗要求0. lus量级。通信则要求频率点非常多。相应测试系统中的信号发生部件也应能实现这些指标。
　　（3 ）系列化、模块化。
　　电子系统门类繁多，体制各异，其测试系统及测试系统信号发生部件的也应多样化。这将借助于信号发生部件的系列化来实现。同时，为方便测试系统的组建，模块化也是信号发生部件必须具备的特点。
　　（4 ）小型化和工程化。
　　随着科学技术的不断发展，测试科学与技术学科发生了很大的变化。20世纪90年代以来，在仪器中引入计算更为复杂的人工智能实现智能化测量己经成为一个重要的发展趋势。仪器仪表学科的发展趋势正是在测试系统的各个环节更多、更好地利用数字信号处理技术，使仪器能够在测量过程中取代（或部分取代）测试人员进行复杂而精确的操作，以获得传统方法难以获得的测量结果。
　　由于数字信号在信号的处理，存贮及传输等方面到都具有独特的优点，因此现代电子测量系统大都采用数字信号处理方法对测试的各环节优化，对信号进行计算和处理，实现测试系统性能的提高。数字信号引入测量系统从根本上提高了测量技术水平，开始了测量技术的新发展。同样，测试激励信号的产生中也大量使用了数字技术，改善了激励信号的性能，提高了测试水平。
　　在信号发生中使用数字处理技术，基本思路是基于离散数字序列重建连续模拟信号，基本理论是耐奎斯特采样定理；数字处理技术则主要集中于离散数字序列的产生环节。离散数字序列的产生通常可以归纳为两种方法，一种是基于波形的方法，即对采样、仿真产生的原始数据进行内插、抽取等操作产生需要的离散数字序列；另一种方法为基于特征的方法，即根据信号特征（如：频率成分、各分量幅值及相对相位等）产生离散数字序列。数字处理技术是这两种方法中的核心技术。由于数字处理技术的引入，数字化信号发生硬件基本上缩减为计算机、D/A 变换器和低通滤波器及模拟通道。计算机进行数字处理，得出离散数字序列，由D/A变换器变换为模拟信号最后由低通滤波器滤波，经模拟通道产生出所要求的连续模拟信号
　　1.2 正弦信号发生器发展现状
　　随着电子信息技术的发展，对其性能的要求也越来越高，如要求频率稳定性高、转换速度快，具有调幅、调频、调相等功能。
　　信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在部队技术保障中，都有着广泛的使用。信号源作为一种通用电子测试仪器是我军进行高科技战争不可缺少的一种测试仪器。因此，从理论到工程对信号的发生进行深入研究，不论是从教学科研角度，还是从部队技术保障服务角度出发都有着积极的意义。随着科学技术的发展和测量技术的进步，对信号源的要求越来越高，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需要。DDS技术是一种新兴的频率合成技术，他具有频率分辨率极高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点
　　根据DDS的特点将其应用于信号源中可以大大提高信号源的分辨率，而且可以有效的降低成本、缩小体积。
　　波形发生器是电子系统的心脏，随着科学技术的发展，现代雷达系统和电子对抗系统对信号源的要求越来越高，提高信号源性能已经成为国内和国外工程师的主要方向。DDS是一种全新的频率合成技术，DDS的出现给信号源的研究开创了一个新的纪元，现在这种频率合成已在电子领域得到越来越多的应用。本文在研究DDS基本原理的基础上，完成了波形器的电路设计和编程。用这种方法设计的波形发生器结构简单，造价成本低，而且信号源输出信号的分辨率提高。

　　二、项目设计原理
　　1、 原理概述
　　专用DDS芯片集成度高、稳定性好且功能完善强大，深受广大电子系统开发工作者的喜爱与认可，直接用此芯片与单片机配合完成设计可以大幅减小设计难度、缩短开发周期。
　　AD公司研发了一系列高性能DDS专用芯片，如AD9850（最高工作时钟125MHz，32位频率控制字，8位并行口或串行口直接装载频率和相位调制据）。
　　对本系统的设计要求而言，选用AD9834最为恰当。图2.1为9834功能框图。
　　主要原因有以下几点：
　　a.AD9834是由28位相位累加器、正弦只读存储器（SIN ROM）和一个10位D/A构成的数字控制式振荡器。具有低抖动的时钟输出和正弦波输出/三角波输出，控制字采用串行装载方式，窄带SFDR》72dB 。
　　b.工作时钟频率为50MHz，频率精确性能被控制到十亿分之一，产生正弦波可达25MHz，足够完成设计任务且价格远低于高频DDS芯片，提高性价比。
　　c.AD9834为用户提供了多种输出波形。正弦只读存储器（SIN ROM）可以被旁路，因此，可以从DAC输出线性的向上或者向下斜坡电压。而这一点在多数DDS芯片上无法实现。
　　d.芯片具有频率调制（FSK调制）和相位调制（PSK调制）性能。芯片有2个28位频率寄存器和2个12位相位寄存器，可以通过外部引脚或控制字来控制或切换，且切换时只需8～9个时钟周期即可达到稳定。此功能使前半周期及后半周期有不同的长度且能够完美的衔接。
　　e.芯片有一复位引脚（RESET），置1时写入频率和相位控制字，清0时开始产生输出波形。且RESET不能对相位、频率或控制寄存器复位，即RESET时不会改变已设定的信息。此功能可以做到几片AD9834保持相同相位工作。
　　f.此外，此芯片还具有一些其他功能，如具有低功耗模式以及能用片内比较器产生方波等，由于这些功能在此系统设计中并不重要，在此不再赘述。

　　图2.1 AD9834功能框图

　　根据以上所述的AD9834芯片所具有的功能，本设计将此定为波形发生方案，通过单片机SLH89F5162产生的切换AD9834频率寄存器的控制信号实现不同占空比的正弦波、三角波，方波波形。
　　2、 硬件设计原理
　　硬件原理框图如图3.1所示。选择单片机SLH89F5162作为主控芯片，及AD9834作为DDS的信号输出模块，可以输出正弦波，三角波，方波。输出频率范围是1-25MHz 。用1602液晶进行辅助显示，4*4的按键进行数据输入模块。利用矩阵键盘输入要产生的频率值，单片机SLH89F5162计算出控制寄存器的值，频率寄存器0，相位寄存器0，频率寄存器1，相位寄存器1，发送到AD9834相应寄存器，DDS的分频原理产生正弦波，以及三角波，利用内部存在的比较器产生方波。
　　3、 软件设计原理
　　a．最高频率计算
　　（1）
　　对于AD9834其频率范围由式（1）和式（2）决定：
　　（2）
　　故其可实现的最高频率即为 ，在本设计中即为25MHz。
　　b、最低频率计算
　　对于AD9834其频率范围由式（1）和式（2）决定
　　故其可实现的最低频率即为 ，在本设计中即为0.0001863Hz。

　　三、项目设计框图
　　1、硬件设计框图

　　图3.1 硬件原理框图

　　2、软件设计框图

　　四、测试结果
　　项目达到的关键硬件指标。

　　通过测试，这个系统可以实现波形发生，产生了正弦波，三角波，方波。但受到单片机计算寄存器值的精度限制和DDS本身存在的分辨率的限制，以上产生的频率有一定误差。
　　附录：
　　注意事项：
　　1.用深联华单片机脱机下载时，不要焊接1602液晶显示器对比度可以调节的可变电阻R1（在此非常感谢@冰封世纪，在他一步步指导下，我下载成功的。分析其原因是脱机下载时，编程器提供的VCC电流有限，被可变电阻分流后，就会造成编程器，蓝灯亮一下，红灯接着常亮的状态。）
　　2.原理图中C2和C10不要接0.1uF，看你输出频率值，否则有可能全部滤去你输出的频率值，可以不接。
　　3.原理图中，R3和R10一定要全部都要焊接上。刚开始调试板子时，因为自己想当然，想省些事，就没有焊接反向输出端的R3，因为自己想让她一路输出就可以了，但是事实往往与自己想法相反，最后一直没输出，调了两天，刚开始一直以为程序有错，到最后焊接上反向输出端的R3后，就直接显示很好的正弦信号（自己都快哭了）。在ADI官网上也没找到原因，我又不是差分输出，怎么会有这种情况，问一个专家，他们也无法解释。
　　4.程序中不包括ad5620，因为自己在ADI官网上申请的ad5620一直没有到，买一个片子，既时间不够，又比较贵，就没有买，所以可以看到视频中从R5非得线到地。其实也没必要接ad5620，ad5620就是个调幅电路，可以提供ad9834输出幅度，目前的幅度大概3mA*200R=600mV。
　　5.如果是接7050的50MHz有源晶振作为MCLK，IOUT输出端，输出5MHz以上频率，就不太好，杂散比较严重。如果实验室有条件的话，可以接不超过75MHz的高稳定晶振，或信号发生器，比如8607，氢钟，铷钟，铯钟等等