基于DDS的多路任意波形发生器的设计与实现

摘要：本文采用单片机控制DDS专用芯片(AD9854)设计了信号发生器。以AD9854芯片为核心，详细分析了该信号发生器的系统结构、软硬件设计和具体电路实现，并介绍了使用单片机STC12LE5A56S2对AD9854的控制方法。信号发生器利用计算机串口通信技术，使用上位机通过串口对下位机控制，通过人机交互的控制方法产生正弦单频信号、扫频信号、FSK调制信号等波形。本信号发生器的优点是硬件电路简单，软件功能完善，人机界面友好，控制方便，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。

任意波形发生器是一种常用信号源，是现代电子测试领域内应用最为广泛的常用仪器之一，广泛用于电子电路、通信、雷达、导航、宇航等领域。输出信号的灵活性使之成为系统综合测试中不可缺少的组成部分。

直接数字频率合成(DDS)技术采用全数字的合成方法，其主要优点是体积小、功耗小、成本低且易于程控，输出相位噪声低和可以产生任意波形等，是任意波形发生器研究的一个重要方向。本项目从工程应用角度出发，深入研究基于单片机系统、以DDS技术为核心的一种结构简单、性能优良的多路任意信号发生器。并且通过PC机与单片机之间的串行通讯、数据的发送和接收，实现上位机方便快捷地控制产生需要的波形。在Windows系统下利用Visual Basic语言编写上位机控制软件，可实现PC机与单片机之间的通讯及控制电路，操作简单方便，从而让任意波形发生器可为用户最大限度地提供最方便有效的测试环境。

1 系统原理

系统结构组成如图1所示，主要由单片机控制模块、键盘与液晶显示模块、数字合成模块、滤波模块、DDS波形发生器上位机模块组成。其中，信号产生由单片机控制模块和数字合成模块实现，键盘与液晶显示模块以及DDS波形发生器上位机模块则用来实现人机交互的功能，滤波模块用来对信号进行后期处理。对于波形的控制有两种途径，一种是用户从仪器面板上通过按键输入命令，其命令的内容将显示在液晶屏幕上，并将命令传输到单片机，再由单片机控制DDS芯片输出信号，并通过后级信号调理电路，最后输出所需的信号;另一种是利用上位机通过串口通信对下位机的控制，下位机的单片机再控制液晶显示以及DDS芯片的工作。两种方法可以同时使用，灵活地通过控制单片机，来控制DDS芯片产生相应波形。

2 信号发生器的硬件设计

2.1 信号发生器电源设计

如图2所示的电源设计，信号发生器的电源模块需要从外部提供5 V的电源，根据AD9854的参考资料可知AD9854电源供电是3.3 V，单片机STC12LE5A56S2所需电压也为3.3 V，两者之间就不需要进行电平转换，从而精简了一大部分电路，只需接入5 V外部电源，再通过117_3.3 V稳压芯片，将电压转换成3.3 V来为AD9854和单片机供电。由于AD98 54电源有数字电源和模拟电源部分，需要分开进行供电，因而需要两个稳压模块来给AD9854这两部分进行供电。

2.2 信号产生的设计与实现

信号的产生与控制部分电路由单片机STC12LE5A56S2与DDS芯片AD9854组成，用户通过键盘输入的信号被STC12LE5A56S2接收，并经其处理后将计算出的控制字传送给AD985 4，由AD9854产生频率幅度可控的信号。还可以通过PC机上的DDS波形发生器上位机发送命令来控制单片机来选择AD9854的工作模式，在其模式下，完成相应的命令并输出波形。

AD9854的内部没有滤波器，因此需在其信号输出端接～个低通滤波器。滤波器的设计如图3所示。

系统设定最高60MHz时能够最低程度的降低AD9854内部系统时钟200MHz的干扰，采用了具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器。查找椭圆滤波器LC元件值表得出归一化的元件值，然后再转化为去归一化的元件值便是本文所用滤波器中的元件值。去归一化公式为：

其中，L’、C’为去归一化的元件值，fFS为频率标度系数，可以直接用2πfc表示。Z为阻抗标度系数，即Z=50。代入计算后各个元件值如表1所示。

2.3 人机交互电路设计

人机交互电路以单片机STC12LE5A56S2为核心，通过其控制液晶显示模块和键盘输入模块以及与PC机进行串口通信。通过键盘输入命令给单片机 STC12LE5A56S2，从而来控制AD9854芯片工作，选择相应的工作模式。也可以通过串口利用PC机上的DDS波形发生器上位机给单片机发送命令来控制AD9854芯片相关工作。如图4所示为在PC机上的DDS波形发生器上位机，单片机STC12LE5A56S2具有串口通信的功能，使用时需连上其对应管脚，打开串口，直接修改上位机内所想要修改的参数，即能控制单片机发送命令来控制DDS芯片工作。此上位机可修改当前模式下的频率相关参数以及扫频控制。该上位机软件还可以根据需要进行功能扩展。

3 信号发生器硬件实现

3.1 印刷电路板设计

整个系统所用的元器件都安排在一块印刷电路板(PCB)上，芯片既有直插式，也有贴片式，采用手动布局，布线采用最短路径规则。混合信号电路PCB的设计很复杂，元器件的布局、布线以及电源和地线的处理将直接影响到电路性能和电磁兼容性能。本板采用双面走线，所以两面的线尽量垂直，以防止总线间的电磁串扰。系统既有数字器件又有模拟器件，器件的布局上，遵循数字器件和模拟器件分开摆放，输出模拟信号线最短输出、输入模拟信号线最短输入、模拟器件的模拟地以最短距离到地的原则。

3.2 测试结果

下列图形是本设计产生的几种波形，测量仪器为固纬示波器，型号为GDS-2000A-CN。

本设计所产生的正弦波的频率范围是2 Hz～60 MHz，图5所示为频率为20 MHz的正弦波。从波形可以看出频率准确度可以达到0.0005%，稳定度可以达到10—4，基本满足要求。

图6所示为扫频信号某一瞬间图形图，扫频范围为500 Hz～10 000 Hz，扫频步长为150 Hz。

图7所示为FSK调制信号，载波频率为100kHz，调制信号频率为1 kHz，从图中可以看出频率切换时波形的相位是连续的。

4 结论

本文采用DDS芯片AD9854为信号产生芯片，单片机STC12LE5A56S2为控制器，外接IO器件，配合上位机的使用，实现人机交互控制的方法，设计出一种结构简便，性能优良的信号发生器。能够极大方便地在上位机上输入参数以控制产生各种需要的波形。