正弦信号发生器方案选择

研究生专业实践方案论证题目：中心频率1MHz正弦波信号发生器

学号

姓名

专业机械工程

院系机械科学与工程学院

2016年4月29日

中心频率1MHz正弦波信号发生器

1.选题背景

在电子技术领域，经常需要用到一些信号作为测量基准或输入信号，也就是所谓的信号源。函数信号发生器已成为电子技术领域不可或缺的仪器，尤其是在电路调试过程中，信号发生器起着相当重要的作用。按其频率产生方法，信号发生器可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器均采用谐振法，也就是用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。近些年来，随着集成集成电路的不断发展，各大厂商生产的信号发生器大部分都采用分立元件及模拟集成电路构成频率合成器，不仅实现了仪器体积的进一步缩小，且准确度和精度得到了进一步提升。

2.方案设计

2.1 方案一

用分立元件组成的函数发生器。分立器件是相对于集成芯片而言的。随着科学技术的不断发展，人们渐渐步入电子时代，分立器件也被也被广泛应用到各种领域，如计算机外设、消费电子、仪器仪表等。它包括：半导体二极管、半导体三极管、电容、电阻、逻辑器件、传感器、敏感器件以及装好的压电晶体类似半导体器件等。

用分立器件组成的函数信号发生器，其机构简单、成本较低。但是由于元器件的分散性及环境条件的改变等因素，致使波形频率易产生偏差，它通常是单频率函数信号发生器，并且其频率较低，工作状态易产生波动，不易于调试。

2.1.2 方案二

用晶体管、运放IC等通用器件制作函数信号发生器。函数信号发生器可以由晶体管、运放IC等通用器件制作。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高的频率信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

由于用通用器件制作的函数信号发生器和方案一有同意的确定，即产生出信号的频率较低。因此，在本设计中，此种方案也不宜采用。

2.1.3 方案三

采用DAC0832通过查表得方式输出需要的波形，通过单片机定时向DAC 转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出。这种方法能够实现各种需要的波形的输出，成本也不高，只是在扩展外设的时候浪费了大量的接口，以后的系统扩展可能会有影响。

2.1.4 方案四

利用专用直接数字合成DDS芯片制作的函数信号发生器。近些年来，随着频率合成技术及集成电路的飞速发展，各类频率合成芯片为信号发生器频率的产生提供了很好的解决方案。尤其是ADI公司生成的各类DDS频率合成芯片，已占据频率合成领域市场的主流。DDS有如下优点：（1）频率分辨率高，输出频点多，可达多个频点（N为相位累加器位数）;(2)频率切换速度快，可达ns量级；（3）频率切换时相位连续；（4）可以输出宽带正交信号；（5）输出相位噪声低，对参数频率源的相位噪声有改善作用；可以产生任意波形；（7）全数字化实现便于集成，体积小，重量轻。DDS芯片的时钟频率从几十兆赫兹到几百赫兹不等，新型DDS芯片已经可以产生高达400MHz的信号。

DDS有上述诸多优点，而且利用直接数字合成DDS芯片实现的函数信号发生器可以直接用单片机进行驱动，控制较为简单。且克服了方案一和二的多数缺点，故本设计选用方案四。

2.2 DDS的工作原理

直接数字式频率合成器(DDS)是将先进的数字处理理论与方法引入频率合成的一项新技术，DDS把一系列数字量形式的信号通过数模转换器转换成模拟量形式的信号，利用采样定理，根据相位间隔对正弦信号进行抽样、量化、编码，然后存储在EPROM中构成一个正弦查询表，通过查表法产生正弦波。它是由参考时钟、相位累加器、正弦查询表和DA转换器构成。如下图所示：

图：直接数字频率合成器原理框图

3. 设计思路

3.1硬件总体设计

本设计主要分为输入模块、输出模块、频率产生模块和控制模块。其中输入模块为矩阵键盘，输出模块为LCD1602液晶显示器，频率产生模块为ADI公司的AD9850芯片，控制模块则采用STC公司的STC89C52RC单片机。总体框图如下：

图：系统总体框图

AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成，内含可编程DDS 系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。AD9850 可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。

STC89C52RC单片机是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（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，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，STC89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。

液晶显示器1602LCD的意思是每行显示16个字符，共有2行。可以显示汉字的液晶称为图形液晶，图形液晶是以点阵的数目命名的，每个点都可以单独控制。例如12232代表该液晶有122行，32列的点阵。1602LCD内置含128个字符的ASCII字符集字库，显示控制用ASCII码即可。在电子电路中应用很广泛。

3.2 软件流程

3.3 预期效果

1602液晶显示频率和相位值，频率和相位输入由键盘完成。频率起始值默认1MHz，相位默认0度。控制字输入AD9850模块，输出接到示波器。