基于DDS和单片机的低频信号源的设计

朱 轮 马庆功

（江苏工业学院，江苏 常州 213016）

1 前言

高精度的信号源在现代电子系统中占有十分重要的地位，它是进行科学研究、开发研制新产品、各种测试和实验必不可少的工具之一，在通信、电子、控制、雷达、测量、教学等领域应用十分广泛。一般要求频率稳定度高，大的功率输出动态范围，良好的输出频率响应，应具有调制功能，频谱纯度高，频率、相位、幅度可程控。精度高等特点。因此传统的模拟信号源已经远远不能满足要求，而直接数字合成技术（DDS）的应用，产生了全数字化的信号源，以数字为基础的程控化、智能化的信号源，不仅性能指标有了质的飞跃，功能也更为强大，操作更加简便。

随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围数字/模拟(D/A)转换器的出现和广泛应用，用数字控制方法从一个标准参考频率源产生多个频率信号的技术，即直接数字合成（DDS）技术异军突起。其主要优点有：（1）频率转换快：DDS频率转换时间短，一般在纳秒级；（2）分辨率高：大多数DDS可提供的频率分辨率在1 Hz数量级，许多可达0.001Hz；（3）频率合成范围宽；（4）相位噪声低，信号纯度高；（5）可控制相位：DDS可方便地控制输出信号的相位，在频率变换时也能保持相位联系；（6）生成的正弦/余弦信号正交特性好等。因此，利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号，这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。

2 系统设计

2.1 低频信号发生器

简易低频信号发生器要求能输出0.1～50Hz范围的正弦波、三角波和方波信号，其中正弦波和三角波信号可以用按键选择输出，输出信号的频率可以从0.1～50Hz范围内调整。由于输出信号的频率较低，因此考虑使用单片机作为控制器，用中断查表法完成波形数据的输出，再用D/A转换器输出规定的波形信号。本系统使用AT89C51单片机作为控制器，用DAC0832作为D/A转换器。功能按键使用单片机的3个端口。实现系统的结构框图如图1所示。

2.2 系统硬件电路设计

系统的硬件组成主要包括控制部分和数模转换两部分，电路原理图如图2所示。

2.2.1 控制部分

图1 简易低频信号源系统结构框图

图2 简易低频信号源电路原理图

控制芯片选择ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机AT89C51。片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。89C51单片机引脚排列如图3所示。89C51单片机逻辑符号如图4所示。

2.2.2 数模转换部分

DAC0832是CMOS工艺制造的8位数/模(D/A)转换器，属于8位电流输出型D/A转换器，转换时间为1微秒，片内带输入数字锁存器，其引脚排列和内部组成原理图如图5和图6所示。DAC0832与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据直接写入DAC寄存器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。这些复合波形利用标准的测试设备是很难产生的。

2.3 系统软件设计

2.3.1 初始化子程序

初始化子程序的主要工作是设置定时器的工作模式，初值预置，开中断和打开定时器等。在这里，定时器T1工作于16位定时模式，单片机按定时时间重复的把波形数据送到DAC0832的寄存器。初始化子程序流程图如图7所示。

2.3.2 键扫描子程序

键扫描子程序的任务是检查3个按键是否有键按下，若有键按下，则执行相应的功能。在这里，3个按键分别用于频率增加，频率减小和正弦波与三角波的选择功能。键扫描子程序流程图如图8所示。

2.3.3 波形数据产生子程序

波形数据产生子程序是定时器T1的中断程序，当定时器计时溢出时，发生一次中断，当发生中断时，单片机将按次序将波形数据表中的波形数据一一送入DAC0832，DAC0832再根据输入的数据大小输出对应的电压。波形数据产生子程序如图9所示。

图3 AT89C51的引脚排列结构

图4 逻辑符号图

图5 DAC0832引脚排列

图6 DAC0832内部组成原理图

图7 初始化子程序流程图

图8 扫描键子程序流程图

图9 波形数据产生子程序流程图

3 结论

在电子技术中，AM调制信号源具有重要地位。传统的基于模拟方法实现的低频信号发生器具有频率稳定度差等缺点，随着电子技术的不断发展，基于DDS技术实现的低频信号发生器具有频率稳定度高、分辨率高等优点，将其应用于AM调制可得到优良的性能。本文基于模拟电路和单片机AT89C51组成的单片机系统进行硬件和软件的设计。本系统主要由硬件和软件两部分组成。DDS频率合成器工作稳定，易于实现，输出频率分辨率高可以满足人们不断提高的要求。本设计在系统总体设计方面，充分利用单片机AT89C51和直接数字频率合成技术，完成了模拟调制低频信号源的设计。

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