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【摘要】 随着电子技术的发展和测量技术的进步，普通的信号发生器已无法满足目前电子技术领域的生产调试的需要。本文介绍了基于直接频率合成技术（DDS）的新型信号发生器的设计方法，详细论述了以AT89S51单片机为核心的信号源系统的软硬件实现方法。
【关键词】 信号发生器，DDS，AD9850，AT89S51
信号发生器在当今通信、电子测量仪表、雷达等电子系统中发挥着非常重要的作用。随着科学技术的发展和测量技术的进步，普通的信号发生器已无法满足目前电子技术领域的需要，而DDS技术是一种新兴的直接数字频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点。利用DDS技术设计信号发生器，输出信号精度高，频带范围宽，并且控制简单方便，是信号发生器研究的一个重要方向。
1 DDS的基本原理
直接数字频率合成器是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D／A转换器和低通滤波器（LPF）组成。DDS的組成结构如图1所示。其中，K为频率控制字（也叫相位增量），P为相位控制字，W为波形控制字，fc为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D／A转换器的字长。相位累加器在时钟fc的控制下以步长K累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址来对波形ROM进行寻址，波形ROM输出的D位幅度码S（n）经D／A转换变成阶梯波S（t）后，再经过低通滤波器平滑，就可以得到合成的信号波形。由于合成的信号波形取决于波形ROM中存放的幅度码，因此，用DDS可以合成任意波形。
2 系统设计方案
采用DDS作为信号发生核心器件的函数信号发生器实现方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了美国A/D公司的AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。
该函数信号发生器的结构中，单片机AT89S51是整个系统关键部分，通过对键盘进行扫描读入相位信息，经转换后输出到芯片AD9850，输出波形。键盘输入的数字信息经AT89S51控制的LCD显示。
3 硬件设计
3.1 AD9850芯片介绍
AD9850采用先进的CMOS工艺，其功耗在3.3V供电时仅为155mW，扩展工业级温度范围为-40～80℃，采用28脚SSOP表面封装形式。
3.2 单片机与AD9850的接口
单片机与AD9850的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，但为了充分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式。如下图所示，在硬件上，AD9850的数据线D0～D7与单片机P1口相连，FQ-UD和W-CLK分别和P2.6、P2.7相连，RESET端与单片机的复位端直接相连。
图 单片机与AD9850接口电路
3.3 滤波电路
低通滤波器可以分为巴特沃什滤波、切比雪夫滤波、贝赛尔滤波和椭圆滤波等。在该系统中，为了使输出信号频率最高100KHz时能够最低程度地降低AD9850外部系统时钟的干扰，采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波。
3.4 功率放大电路
AD9850输出信号的电流约为10mA，输出阻抗50Ω，电压≦0.5V，达不到要求，为此必须经过功率放大电路。对于功率放大电路部分，我们选择集成宽带高性能运算放大器AD811。AD811为电流反馈性宽带运放，其单位增益带宽很宽，±15V供电情况下，-3dB带宽达100MHZ，适合本系统的宽带放大要求，且输出电流可达100mA。
3.5 键盘输入接口及LCD接口电路
本系统中的数字输入设置电路采用2*8矩阵键盘。由于LCD具有显示内容多，电路结构简单，占用单片机资源少等优点，本系统采用RT1602C型LCD液晶显示屏来显示信号的类型、频率大小和正弦波的峰-峰值。同样，考虑到AT89S51单片机的IO引脚资源有限，本系统的键盘输入及LCD输出均通过74HC245连接到AT98S51单片机的P0端口，从而实现端口扩展和复用。
4软件设计
系统软件设计采用汇编语言来编写程序。软件模块包括主程序（AT89S51初始化、AD9850初始化、LCD初始化）、显示子程序、键盘输入子程序、信号发生与控制子程序4部分组成。信号发生器系统主程序流程。
5结束语
通过严格的实验测试证明，本系统采用DDS完全可以实现输出信号类型的选择设置、信号频率数字预置等功能，是一种输出信号频率覆盖宽、信号源分辨率高、波形失真小的函数信号发生器，具有一定的实用开发价值。
参考文献
[1] 张静，李廷军，刘长茂，郭海燕，基于DDS的高分辨率信号发生器的实现[J]，现代电子技术，2004，14.
[2] 张毅刚，彭喜元，孟升卫， MCS-51单片机实用子程序设计， 哈尔滨工业大学出版社，2003
[3] 高泽溪，高成，直接数字频率合成器（DDS）及其性能分析，北京航空航天大学学报，1998（10）.
作者简介：
张天鹏，男，（1981-），河南开封人，讲师，从事高校机电专业教学研究
魏蔚，女，（1981-），河南开封人，讲师，从事高校计算机专业教学研究
（作者单位：黄河水利职业技术学院）
【关键词】 信号发生器，DDS，AD9850，AT89S51
信号发生器在当今通信、电子测量仪表、雷达等电子系统中发挥着非常重要的作用。随着科学技术的发展和测量技术的进步，普通的信号发生器已无法满足目前电子技术领域的需要，而DDS技术是一种新兴的直接数字频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点。利用DDS技术设计信号发生器，输出信号精度高，频带范围宽，并且控制简单方便，是信号发生器研究的一个重要方向。
1 DDS的基本原理
直接数字频率合成器是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一个直接数字频率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存储ROM、D／A转换器和低通滤波器（LPF）组成。DDS的組成结构如图1所示。其中，K为频率控制字（也叫相位增量），P为相位控制字，W为波形控制字，fc为参考时钟频率，N为相位累加器的字长，D为ROM数据位及D／A转换器的字长。相位累加器在时钟fc的控制下以步长K累加，输出的N位二进制码与相位控制字P、波形控制字W相加后作为波形ROM的地址来对波形ROM进行寻址，波形ROM输出的D位幅度码S（n）经D／A转换变成阶梯波S（t）后，再经过低通滤波器平滑，就可以得到合成的信号波形。由于合成的信号波形取决于波形ROM中存放的幅度码，因此，用DDS可以合成任意波形。
2 系统设计方案
采用DDS作为信号发生核心器件的函数信号发生器实现方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了美国A/D公司的AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。
该函数信号发生器的结构中，单片机AT89S51是整个系统关键部分，通过对键盘进行扫描读入相位信息，经转换后输出到芯片AD9850，输出波形。键盘输入的数字信息经AT89S51控制的LCD显示。
3 硬件设计
3.1 AD9850芯片介绍
AD9850采用先进的CMOS工艺，其功耗在3.3V供电时仅为155mW，扩展工业级温度范围为-40～80℃，采用28脚SSOP表面封装形式。
3.2 单片机与AD9850的接口
单片机与AD9850的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，但为了充分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式。如下图所示，在硬件上，AD9850的数据线D0～D7与单片机P1口相连，FQ-UD和W-CLK分别和P2.6、P2.7相连，RESET端与单片机的复位端直接相连。
图 单片机与AD9850接口电路
3.3 滤波电路
低通滤波器可以分为巴特沃什滤波、切比雪夫滤波、贝赛尔滤波和椭圆滤波等。在该系统中，为了使输出信号频率最高100KHz时能够最低程度地降低AD9850外部系统时钟的干扰，采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波。
3.4 功率放大电路
AD9850输出信号的电流约为10mA，输出阻抗50Ω，电压≦0.5V，达不到要求，为此必须经过功率放大电路。对于功率放大电路部分，我们选择集成宽带高性能运算放大器AD811。AD811为电流反馈性宽带运放，其单位增益带宽很宽，±15V供电情况下，-3dB带宽达100MHZ，适合本系统的宽带放大要求，且输出电流可达100mA。
3.5 键盘输入接口及LCD接口电路
本系统中的数字输入设置电路采用2*8矩阵键盘。由于LCD具有显示内容多，电路结构简单，占用单片机资源少等优点，本系统采用RT1602C型LCD液晶显示屏来显示信号的类型、频率大小和正弦波的峰-峰值。同样，考虑到AT89S51单片机的IO引脚资源有限，本系统的键盘输入及LCD输出均通过74HC245连接到AT98S51单片机的P0端口，从而实现端口扩展和复用。
4软件设计
系统软件设计采用汇编语言来编写程序。软件模块包括主程序（AT89S51初始化、AD9850初始化、LCD初始化）、显示子程序、键盘输入子程序、信号发生与控制子程序4部分组成。信号发生器系统主程序流程。
5结束语
通过严格的实验测试证明，本系统采用DDS完全可以实现输出信号类型的选择设置、信号频率数字预置等功能，是一种输出信号频率覆盖宽、信号源分辨率高、波形失真小的函数信号发生器，具有一定的实用开发价值。
参考文献
[1] 张静，李廷军，刘长茂，郭海燕，基于DDS的高分辨率信号发生器的实现[J]，现代电子技术，2004，14.
[2] 张毅刚，彭喜元，孟升卫， MCS-51单片机实用子程序设计， 哈尔滨工业大学出版社，2003
[3] 高泽溪，高成，直接数字频率合成器（DDS）及其性能分析，北京航空航天大学学报，1998（10）.
作者简介：
张天鹏，男，（1981-），河南开封人，讲师，从事高校机电专业教学研究
魏蔚，女，（1981-），河南开封人，讲师，从事高校计算机专业教学研究
（作者单位：黄河水利职业技术学院）