基于SPCE061A与AD9851的低频可控信号发生器设计

摘要：基于DDS直接数字频率合成技术原理，采用凌阳SPCE061A单片机作为人机界面控制单元和参数形成处理单元，首先以一片AD9851芯片为核心产生频率在10 Hz～30 MHz可调、幅度稳定的正弦波、方波和三角波信号，然后通过一路可控模拟开关(使用AD7502芯片)选择波形输出。再通过外接键盘按键控制输出频率及频率步进，并通过LCD显示输出波类型、频率及电压幅度。该系统除具有基本函数信号发生器的主要功能外，还可控制输出频率在10 Hz～1 MHz之间变化的波型信号，同时还能够保障输出电平满足Vpp=(0～5 V)±0.1 V。在输出为50 Ω负载的条件下，可实现频率在10 Hz～1 kHz范围内步进10 Hz，在10 kHz～1 MHz范围内步进1 kHz。在实验教学、生产等应用中，有一定的使用和推广价值。

关键词：SPCE061A;DDS技术;AD9851;AD7502

引言

随着科技的发展，普通性能的单一波形发生器已经越柬越不能满足实际的需求。要实现性能复杂的及波形多样性的发生器，DDS直接数字频率合成技术使用在信号发生器设计中，相较与传统频率合成器，具有低成本、低功耗、分辨率和快速转换时间等优点。其中频率分辨率高，体现在输出频点多，可达2个频点(N为相位累加器位数);频率切换速度可达μs量级;可输出宽带正交信号，且输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用。

1 系统设计方案

本系统主要由SPCE061A微处理器模块、LCD液晶显示模块、1×8 LED键盘模组、DDS数字频率合成模块、波形转换模块、幅度控制模块及电源模块等电路模块组成。

系统采用凌阳SPCE061A开发板作为核心处理器件。主单片机主要控制DDS芯片AD9851工作，产生预置频率和相位的正弦信号，输出信号经低通滤波得到纯净的正弦波，再经电流放大级高频放大抬高输出电压幅度。本系统采用一路模拟开关AD7802控制正弦波等的输出，并通过键盘模块按键触发控制频率步进。主处理器同时还控制LCD同步显示输出波形频率及幅度大小。从处理器用于控制峰值检测、自动增益控制等。具体系统框图如图1所示。

1.1 系统硬件设计

1.1.1 SPCE061A单片机控制单元

单片机控制单元是整个系统的核心，通过SPCE061A控制信号产生单元、按键电路、显示电路、波形转换电路及幅度控制电路。

1.1.2 直接数字频率合成模块

AD9851是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器。本文主要采用SPCE061A控制AD9851频率控制字实现频率合成，并经低通滤波器滤除噪声和杂散信号，最终得到比较纯正的正弦波信号。同时，调制后的正弦波信号通过主SPCE061A A/D采样后，并行输入改变DDS芯片频率控制字，便可实现调频，基本不需要外围路，且最大频偏可由软件系统任意更变。通过设置放大部分反馈电阻控制输出电压幅度，并使输出幅度在0～5 V范围内可调。DDS原理图如图2所示。

正弦信号发生电路如图3所示。

1.1.3 正弦波，方波，三角波分时显示模块

该模块选用模拟开关AD7502分时显示正弦波、方波和三角波，AD7502单芯片CMOS双路4通道模拟多路复用器，为可程控模拟开关，它根据2个二进制地址输入和一个使能输入的状态，将2路输出总线切换至8路输入中的2路，功能框图如图4所示。本系统选择1路信号输出，正弦波、方波、三角波分别由S1、S2、S3输入，OUT1控制其输出，单片机通过控制A0、A1和EN控制3路信号输出。EN=1时，A0A1=00输出为方波，AOAI=01输出为三角波，A0A1=10输出为正弦波。波形发生模块电路如图5所示。

1.1.4 信号放大模块

由于DDS信号在加负载的情况下，信号的幅度稳定性比较差，所以首先提高DDS信号的负载能力，可以通过电流放大来实现，然后经过后级电压放大完成。如图6所示，用电流放大器OPA2652，再通过高频放大器THL4001作为后级电压放大。首先将DDS的输出电流用电流放大器OPA 2652放大，提高DDS的负载能力，受高频的影响也就相应地减小，输出电压相对稳定，然后通过THL4001高频运放放大达到设计要求。

具体电路原理图如图7所示，OPA2652是高增益带宽积电流放大器，其增益带宽积为700 MHz，最大输出电流为100 mA，足够放大10 MHz的信号，能够很大限度地提高电路的带负载能力。DDS信号首先经过R5和R6分流，然后进入OPA2652放大器同相放大，增益由电位器RF控制。由于是电流放大，所以OPA2652的典型电路上的电阻值都比较小。在实际电路制作时，理论值49.9 Ω电阻用51 Ω的代替，402 Ω的电阻用两个200 Ω的电阻串联代替，175 Ω的电阻用150 Ω和27Ω的电阻串联代替。为了降低电源热噪声干扰，电源经过0.1μF和6.8μF的电容接地进行滤波，正负电源之间接0.1μF的去藕电容。后级放大采用单通道、低噪声、增益变化范围连续可调的可控增益放大器THS4011，增益带宽积带宽为270 MHz，其增益带宽可以达到270 MHZ(±4.5 V～1 5 V供电)，并且在60 MHZ的带宽内频率特性曲线很平坦(0.1dB，G=1)。THS4011的连接方法很多，可以正项输入，也可以负项输入，本系统采用正项输入法，负项通过RC回路接地，降低电路本身的噪声，从而实现信号放大功能。