基于DDS技術(shù)的正弦交流信號(hào)源的設(shè)計(jì)

摘要：以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)行功率輸出的正弦波信號(hào)源為目的，提出了一種基于DDS技術(shù)，以單片機(jī)為控制核心、AD9850芯片為頻率合成器的正弦交流電流信號(hào)源的設(shè)計(jì)方法。該正弦交流電流信號(hào)源可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定且頻率范圍為1～100 Hz，電流幅值可調(diào)的正弦電流信號(hào)，具有一定的帶負(fù)載和功率輸出能力。該產(chǎn)品創(chuàng)造性地運(yùn)用單片機(jī)向D／A寫入電壓控制字的方式間接控制和改變AD公司生產(chǎn)的AD603芯片對(duì)正弦波信號(hào)電壓幅值的增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)于同一負(fù)載輸出交變電流的有效值可調(diào)節(jié)的功能，為同類信號(hào)源產(chǎn)品的功能改進(jìn)開辟了新的思路。
關(guān)鍵詞：DDS AD9850；正弦波；信號(hào)源

0 引言
直接數(shù)字合成技術(shù)(Direct Digital Syn-thesizer，DDS)是一種用數(shù)字控制方法，從一個(gè)參考頻率源產(chǎn)生多種頻率的技術(shù)，這種合成技術(shù)具有換頻速度快、分辨率高、相位噪聲低、信號(hào)純度高、可控制相位等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域。美國AD公司推出的高集成度的頻率合成器AD9850是DDS技術(shù)的典型產(chǎn)品之一，AD9850是高穩(wěn)定度的直接數(shù)字頻率合成器件，內(nèi)部包含數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率相位數(shù)據(jù)寄存器、可編程DDS系統(tǒng)、高性能數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。如在AD9850上接入精密時(shí)鐘源，可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈，頻率、相位都可編程控制的正弦波信號(hào)。本文基于DDS技術(shù)的原理和AD9850芯片的優(yōu)良性能，設(shè)計(jì)并論述了一種可產(chǎn)生一定頻率，可調(diào)范圍為0～100 Hz的正弦波信號(hào)，且具有一定的帶載能力，電流幅值可調(diào)節(jié)(最大可控制輸出電流幅值為1 A)的交流信號(hào)源。該產(chǎn)品相比于以往的同類產(chǎn)品，進(jìn)一步改進(jìn)了其性能，有頻率可調(diào)、信號(hào)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，并創(chuàng)造性的使用單片機(jī)對(duì)D／A的控制，間接實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電流幅值的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)節(jié)的功率(電流)輸出。

1 正弦交流信號(hào)源的整體設(shè)計(jì)思路
該信號(hào)源以AVR的ATmega16單片機(jī)為核心、AD9850芯片為主體，采用HD7279芯片作為鍵盤、顯示接口。用戶可用鍵盤設(shè)定信號(hào)頻率和輸出電流的數(shù)值，由單片機(jī)將設(shè)定頻率轉(zhuǎn)換為AD9850的頻率控制字并送給AD9850，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)，同時(shí)單片機(jī)將對(duì)A／D采集到的電流值與用戶設(shè)定值進(jìn)行比較，對(duì)輸出電流進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，最終將輸出電流調(diào)節(jié)為設(shè)定值。電路中的低通濾波電路可以有效濾除頻率過高的信號(hào)，輸出環(huán)節(jié)中設(shè)有放大環(huán)節(jié)和有源濾波環(huán)節(jié)，可以有效保證正弦波電流信號(hào)的帶載能力和頻率的純正。電路中還設(shè)有信號(hào)調(diào)理電路，用于將電流互感器測得的交變電流信號(hào)電位調(diào)整為單片機(jī)A／D模塊模擬輸入的點(diǎn)位。該產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 ATmega16單片機(jī)的選用
該信號(hào)源采用AVR的ATmega16單片機(jī)，在結(jié)構(gòu)上，該款單片機(jī)由兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC，4通道PWM，8路10位ADC，8個(gè)單端通道，TQFP封裝的7個(gè)差分通道，2個(gè)具有可編程增益(1x，10x，200x)的差分通道，面向字節(jié)的兩線接口，2個(gè)可編程的串行USART，可工作于主機(jī)／從機(jī)模式的SPI串行接口，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器等組成。
在性能上，該款單片機(jī)具有高性能、低功耗的8位AVR微處理器，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)；具有131條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期；32個(gè)8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作；具有非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH；具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程；真正的同時(shí)讀／寫操作；具有512 B E2PROM，1 KB的片內(nèi)SRAM，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程。
運(yùn)用ATmega16單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9850的控制編程簡便，接口簡單，成本較低，同時(shí)該款單片機(jī)體積較小，易實(shí)現(xiàn)小型化。因此采用AVR ATm ega16單片機(jī)作為該系統(tǒng)的控制核心來向AD9850發(fā)送控制字。在本產(chǎn)品中，單片機(jī)接人的晶振頻率為7．3728MHz。
2．2 AD9850芯片接口電路的設(shè)計(jì)
AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由1個(gè)加法器和1個(gè)N位相位寄存器組成，N一般為24～32。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC輸出模擬量。