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(guó)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(guò)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(cè)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(guò)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(jiǎn)便，接口簡(jiǎn)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(lái)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?？删幊藾DS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(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng)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。
    AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制(低32位)，5位用于相位控制，1位用于電源休眠(Power-down)控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過(guò)并行或串行方式輸入到AD9850。本產(chǎn)品采用并行裝入方式，通過(guò)8位總線D0～D7將數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在W_CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，在重復(fù)5次之后再在FQ_UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率／相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS輸出頻率和相位)，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器。其中AD9850的頻率控制字?jǐn)?shù)值的計(jì)算公式為：
    fOUT=(△Phase×CLKIN)／232        (1)
    AD9850芯片的接口電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。圖中數(shù)據(jù)線DB0～DB7通過(guò)總線與ATmega16單片機(jī)的PB0～PB7相連，用以單片機(jī)向AD9850寫入頻率控制字；W_CLK和FQ_UD分別接在單片機(jī)的PA6和PA7上，用于并行通信中時(shí)序和傳輸?shù)目刂?。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)輸出頻率范圍為1～100 Hz，選用晶振為50MHz。

2．3 濾波電路的設(shè)計(jì)
    采用DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器具有良好的頻率分辨率和快速、連續(xù)的變頻性能，帶寬也相對(duì)較寬，但是，DDS技術(shù)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，輸出頻率越接近時(shí)鐘頻率的1／2，采樣點(diǎn)數(shù)就越少，輸出地雜散干擾就越大。所以必須要為DDS設(shè)計(jì)低通濾波器，以提高輸出正弦波頻率的穩(wěn)定性和輸出波形的質(zhì)量。

    在該信號(hào)源的設(shè)計(jì)中，設(shè)有兩個(gè)低通濾波器模塊，分別采用以LC并聯(lián)諧振為原理的無(wú)源低通濾波器和以集成運(yùn)放為基礎(chǔ)的RC低通有源濾波器，其電路分別如圖3，圖4所示。無(wú)源低通濾波器用于濾除AD9850產(chǎn)生的直流正弦信號(hào)波中的雜質(zhì)頻率，有源低通濾波器用于濾除經(jīng)放大環(huán)節(jié)和電容隔直通交所產(chǎn)生的正弦交流信號(hào)中的雜質(zhì)頻率。由于本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)頻率范圍為1～100 Hz，故在圖3所示的無(wú)源低通濾波器中采用兩級(jí)LC并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其上限頻率分別為200 Hz和100 Hz，用來(lái)濾除超過(guò)100 Hz的諧波，在圖4所示的有源低通濾波器中，依據(jù)公式：
    fL=1／(2πRC)     (2)
    可確定上限頻率為100 Hz的有源低通濾波器的R，C參數(shù)的選擇。
2．4 信號(hào)放大環(huán)節(jié)電路設(shè)計(jì)
    為了保證本產(chǎn)品產(chǎn)生的交流信號(hào)具有帶載能力和功率輸出能力，必須對(duì)AD9850芯片產(chǎn)生的經(jīng)過(guò)低通濾波后的正弦直流信號(hào)進(jìn)行放大。在本環(huán)節(jié)中選用AD公司的AD603芯片，這是一種低噪聲、電壓控制增益的新型運(yùn)放，其傳輸帶寬高達(dá)90 MHz，增益最高可達(dá)51 dB，最低達(dá)-11 dB，具有良好的性能。并用受單片機(jī)控制的D／A輸出一定范圍的電壓對(duì)其增益進(jìn)行控制，以達(dá)到輸出電壓幅值可調(diào)節(jié)的功能，即采用單片機(jī)以電壓控制字控制D／A的電壓模擬輸出，從而達(dá)到調(diào)節(jié)AD603的增益，進(jìn)而達(dá)到了調(diào)節(jié)電壓幅值的效果，對(duì)于同一負(fù)載，即電流的幅值是可變的。
    D／A選用DAC0832芯片，這是一個(gè)8位分辨率的D／A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)D／A芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D／A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D／A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。將DAC0832的片選信號(hào)CS接單片機(jī)的PC7，將XFER接PA1、ILE接PA2、WR1接PA3、WR2接PA4，將DAC0832的8位數(shù)字輸入分別與單片機(jī)的PB0～PB7相連接，用于單片機(jī)向D／A寫入電壓控制字，使用單片機(jī)控制DAC0832給AD603芯片差分輸入高電平端GPOS管腳輸入0～5 V的電壓，可以調(diào)節(jié)AD603的增益為21～51 dB,，最終可使輸出端空載時(shí)的電壓峰峰值在2．24～4 V的范圍內(nèi)無(wú)失真縮放。
2．5 交流輸出放大環(huán)節(jié)電路和信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
    為了保證該交流信號(hào)源具有一定的電流輸出能力和帶載能力，在利用電容的隔直通交性質(zhì)將AD9850產(chǎn)生的直流正弦信號(hào)變?yōu)榻涣髡倚盘?hào)后，應(yīng)對(duì)電壓進(jìn)一步放大，這樣可以保證輸出端口接入不同的負(fù)載均有一定的電流輸出。在本環(huán)節(jié)中選用德州儀器的OPA548運(yùn)放，這是一款功率運(yùn)放，最大可以持續(xù)輸出3 A的電流，可以在有效放大電壓的基礎(chǔ)上通過(guò)大電流。

    在輸出端口上設(shè)置有電流互感器，用于電流值的采樣，采樣電流值通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路接入AVR單片機(jī)A／D模塊的模擬輸入端。AVR ATmega 16單片機(jī)的模擬輸入端口的輸入電壓范圍是0～4．6 V，所以必須對(duì)電流互感器采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，接入單片機(jī)的A／D模擬輸入接口。圖5為信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)圖，采集來(lái)的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓跟隨器的隔離和緩沖作用后，經(jīng)反向放大電路和求和電路將信號(hào)的電平調(diào)整為0～4．6V。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)
3．1 總設(shè)計(jì)流程圖
    系統(tǒng)軟件總設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)初始化程序、按鍵中斷服務(wù)程序、AD9850控制程序、顯示子程序、電流閉環(huán)調(diào)節(jié)程序等模塊組成，均由C語(yǔ)言編寫而成。對(duì)于本產(chǎn)品而言，其特色之處在于按鍵中斷服務(wù)子程序和電流幅值閉環(huán)調(diào)節(jié)程序的設(shè)計(jì)，成功地實(shí)現(xiàn)了頻率可調(diào)可顯示，并在電流值可調(diào)可顯示的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一定的控制精度。

3．2 按鍵中斷服務(wù)子程序流程的設(shè)計(jì)
    在按鍵中斷服務(wù)子程序中，軟件系統(tǒng)依托鍵盤顯示接口HD7279芯片，設(shè)定了以下功能：具有模式轉(zhuǎn)換鍵，可以在頻率顯示與電流顯示之間進(jìn)行切換；具有設(shè)定按鍵，可在顯示模式和設(shè)定模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換，且設(shè)定位閃爍；設(shè)有“+1”、“-1”、左移鍵，可以設(shè)置不同位上的數(shù)值；具有確定鍵，在設(shè)計(jì)結(jié)束后可以將設(shè)定值送入單片機(jī)處理；具有復(fù)位鍵，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位，恢復(fù)初始化設(shè)置。設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3．3 電流幅值閉環(huán)調(diào)節(jié)程序流程設(shè)計(jì)
    該環(huán)節(jié)利用定時(shí)器的定時(shí)器控制采樣間隔，將采樣值儲(chǔ)存在一個(gè)數(shù)組變量中，當(dāng)采集完一個(gè)信號(hào)周期規(guī)定的點(diǎn)數(shù)后，計(jì)時(shí)器產(chǎn)生中斷，單片機(jī)對(duì)數(shù)組進(jìn)行處理，計(jì)算出產(chǎn)生的正弦交變電流的有效值，并與設(shè)定電流有效值進(jìn)行比較：如果電流設(shè)定值連續(xù)20次等于實(shí)測(cè)計(jì)算值，則該環(huán)節(jié)結(jié)束，程序繼續(xù)向下運(yùn)行；若電流設(shè)定值不等于實(shí)測(cè)計(jì)算值，清零電流相等標(biāo)志位IE；若電流設(shè)定值大于實(shí)測(cè)計(jì)算值，則令D／A的電壓控制字加1，反之則減1。單片機(jī)將電壓控制字寫入D／A，以調(diào)節(jié)電流幅值的大小，然后反復(fù)進(jìn)行測(cè)量，與設(shè)定值對(duì)比，直至相等20次之后。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

4 測(cè)試與結(jié)果分析
    在此對(duì)設(shè)計(jì)的交流正弦信號(hào)源輸出波形的頻率使用數(shù)字示波器進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)頻率范圍為1～100 Hz，具備頻率設(shè)定功能，且頻率步進(jìn)可分為1 Hz和10 Hz兩個(gè)檔位，測(cè)試數(shù)據(jù)表如表1所示。

    從表中的數(shù)據(jù)分析可以看出該信號(hào)源即使在較低的頻率也能具有較高的信號(hào)穩(wěn)定度。
    在電流幅值調(diào)節(jié)測(cè)試中，使用2Ω／10W的大功率電阻作為測(cè)試負(fù)載，輸出電流有效值可在1～999 mA范圍內(nèi)以1 mA步進(jìn)調(diào)節(jié)設(shè)置，由于采用閉環(huán)系統(tǒng)控制電流幅值，輸出電流有效值穩(wěn)定度可達(dá)10-3。

5 結(jié)語(yǔ)
    本文基于DDS技術(shù)設(shè)計(jì)了一款正弦交流信號(hào)源，采用單片機(jī)和AD603等產(chǎn)生的信號(hào)穩(wěn)定度高，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。