濱江學院 學年論文題 目 基于嵌入式的信號發生器 院 系 電子工程系 專 業 電子信息工程 學生姓名 馬磊 學 號 20112305068指導教師 張秀再 目錄1引 言.12 方案提出及工作原理. 2.1方案提出2.2工作原理3 系統設計與實現. 23.1總體結構3.2主控電路3.3信號調理電路4 系統軟件設計.35 系統調試及運行結果分析.46結束語.參考文獻.基于嵌入式系統的信號發生器摘要 ：本文采用直接數字頻率合成技術，設計了一種采用以AD9833為核心的信號源，由lpc2131對輸入數據進行處理,，進而執行對DDS 芯片編程，控制產生所需的頻率、相位和波形信號，可產生方波，正弦波，三角波,并由LCD 顯示各種信息，最后詳細分析了該信號發生器的系統結構、軟硬件設計和具體實現電路。關鍵詞：AD9833，LPC2131，直接數字頻率合成1引言信號源是現代電子系統的重要組成部分，在通信系統以及各種電子測量技術中，常常需要一個高精度的頻率可變信號源，而且一般要求數字可控。隨著現代通信技術不斷的發展，對信號源的輸出波形種類、頻率范圍、分辨率、精確度等提出很高的要求。頻率信號發生裝置一般利用一個或多個標準信號產生多種頻率信號。實用基本頻率合成技術主要有PLL鎖相頻率合成和直接數字頻率合成（DDS）兩種，PLL 頻率合成結構簡單，頻譜純度高，但高分辨率對應頻率轉換時間較長，一般只用于大步進頻率合成技術中1。直接數字頻率合成技術從“相位”的概念出發進行頻率合成，采用這種方法設計的信號源可工作于調制狀態：不但能輸出各種波形，而且可對輸出電平進行調節，具有頻率分辨率高、轉變速度快、輸出相位連續、相位噪聲低、可編程和全數字化、便于集成等突出優點被廣泛應用于通信與電子測量系統中2。本文采用ARM微處理器LPC2131 為主控與DDS 頻率合成芯片AD9833 結合設計了一種頻率合成信號源。2 方案提出及工作原理2.1方案提出該信號發生器以AD9833為核心，采用ARM控制產生正弦波，三角波，方波，并能進行波形復合。AD9833是一款采用DDS技術、低功耗、可編程波形發生器4，器件采用MSOP封裝，非常小巧，外圍電路簡單，僅需要1個外部參考時鐘、一個低精度電阻器和一個解耦電容器，通過SPI接口和單片機相連，編程可生成正弦波、三角波、方波。輸出頻率和相位都可通過編程易于調節AD9833內部電路主要有數控振蕩器(NCo)、頻率和相位調節器、正弦只讀存儲器(sineROM)、數模轉換器(DAC)、電壓調整器。其核心是28位的相位累加器，它由加法器和相位寄存器組成，每來1個時鐘，相位寄存器以步長增加相位寄存器的輸出與相位控制字相加后輸人到正弦查詢表地址中。正弦查詢表包含1個周期正弦波的數字幅度信息，每個地址對應正弦波中0-360。范圍內的1個相位點。查詢表把輸人的地址相位信息映射成正弦波幅度的數字量信號，驅動DAC輸出模擬量。相位寄存器每經過2腳M個MCLK 時鐘后回到初始狀態，相應的正弦查詢表經過一個循環回到初始位置，這樣就輸出了一個正弦波。 相對于其他信號波形產生技術，DDS技術具有輸出信號的采樣頻率固定、頻率穩定性高、信號頻率轉換時間輸出相位連續、全數字化、可編程和易于控制等優點具體如下頻率切換時間短 DDS的頻率轉換可以近似認為是即時的，這是因為它的相位序列在時間上是離散的，在頻率控制字K改變以后，要經一個時鐘周期之后才能按照新的相位增量累加，所以也可以說它的頻率轉換時間就是頻率控制字的傳輸時間，即一個時鐘周期Tc1/fclk。如果.fclk=10MHZ，轉換時間即為100ns,當時鐘頻率進一步提高，轉換時間將會更短，但再短也不能少于數門電路的延遲時間。目前，集成DDS產品的頻率轉換時間可達10ns的量級，這是目前常用的鎖相頻率合成技術無法做到的。 (2) 頻率分辨率高 DDS的最小頻率步進量（頻率分辨率）就是它的最低輸出頻率，只要累加器有足夠的字長，實現非常精密的分辨率沒有多大的困難。例如可以實現Hz,mHz甚至nHZ的頻率分辨率，而傳統的頻率合成技術要實現這樣的頻率分辨率十分困難，甚至是不可能的。 (3) 相位變化連續 DDS改變輸出頻率實際上改變的是每次的相位增量，即改變相位的增長速度，相位函數的曲線是連續的，只是在改變頻率的瞬間其斜率發生了突變，因而保持了輸出信號相位的連續性。這在很多對頻率合成器的相位要求比較嚴格的場合使用。2.2工作原理 直接數字頻率合成，通過數控振蕩器（NCO）產生一個頻率/相位都可調的正弦波，正弦的數字信號再通過一個D/A轉換器轉成模擬量。目前廣泛使用的一種DDS方式工作原理如圖 低通濾波器數模轉換器正弦波查找表相位累加器 CZZ 參考頻率源Dds工作原理圖相位累加器在每個時鐘到來時，與頻率控制碼所決定的相位增量累加一次，計數大于2N（N 是相位累加器的位數）則自動溢出。通過正弦查找表實現從相位值到正弦幅值的轉變： 根據輸出到正弦查找表地址上的相位值，得到數字正弦信號，輸入到內部高速數模轉換器，產生模擬正弦波輸出。最后通過低通濾波器可產生出純凈的波形?？梢奃DS技術其實是利用現行相位容易實現累加這一特點，以線性相位累加值為地址，取出存儲在ROM 表中對應的非線性幅值。設系統參考時鐘頻率為fclk，相位累加器字長為N，則DDS的輸出頻率為：（1)其中，k為頻率控制字，由控制程序設定。通常固定時鐘頻率fclk與相位累加器的位數N，因此輸出頻率便由k確定。 相位調制寄存器為M位，通過改變其初值Dphase，可方便地實現輸出波形的初相角的調制： （2）系統采用高精度、低功耗串行接口DDS 芯片AD9833，其內部相位累加器為28位，內部DAC為10 位，主頻時鐘信號的頻率最高為25 MHZ，在這個工作頻率下，分辨率由公式（1） 可得： 28min clk f = f / 2 為0.1HZ。根據Nyquist采樣定律，重建信號頻率理論上最高可取12.5 MHZ，但通常只能取到接近最高頻率的40%。AD9833通過軟件編程，易于調節，除可產生正弦波外，AD9833還可以通過內部寄存器配置，輸出方波、三角波和直流信號。3 系統設計與實現3.1 總體結構系統結構如圖2 所示，包括信號發生器、信號調理電路、鍵盤輸入及液晶屏顯示四個部分。硬件電路主要由AD9833、LPC2131這兩個主要芯片，以及外圍電路組成液晶顯示屏Lpc2131功率放大濾波電路AD9833鍵盤輸入總體結構框圖由圖2可知，嵌入式微處理器LPC2131為整個系統的控制芯片，負責給AD9833 發送控制字，接受外部輸入數據并進行處理的任務。按鍵部分產生中斷，通過改變LPC2131的SPI口輸出的指令數據，進而改變AD9833輸出波形信號的參數。AD9833根據SPI口輸出的這個數據完成頻率合成任務，初步輸出所需信號。信號調理電路負責對AD9833 輸出的信號進行濾波、整形及放大。液晶屏將按鍵操作的波形與工作方式等特定參數予以顯示。3.2 主控電路主控芯片LPC2131 是基于ARM7TDMI-S 內核的高性能32位RISC 微控制器，功耗低，性價比高，非常適合嵌入式產品的開發。LPC2131 擁有一個串行外設接口（SPI）。具有兩個完全獨立的SPI控制器，它是一個同步、全雙工串行接口，最大數據位速率為時鐘速率的1/8，可配置為主機、或從機，在該系統中，配合AD9833的SPI 指令傳輸，控制波形輸出。LPC2131擁有47個通用I/O口（General PurposeI/O, GPIO），有三個寄存器用于控制GPIO的使用，在本系統中，使用GPIO 口來控制鍵盤和顯示屏，AD9833 與LPC2131的硬件連接原理如圖3所示。圖3 AD9833與LPC2131硬件連接原理 3.3 信號調理電路 信號調理電路的設計須注意到兩個問題： 系統電路板上信號源的數量較多，互相影響會使輸出波形產生毛刺現象； AD9833 本身存在著輸出信號的幅度隨頻率的變化而變化的現象，如后接放大電路將加大這一影響。解決這兩個問題的辦法是：在DDS芯片輸出端或濾波器輸出端，串入合適電容隔直； 為了最大程度地讓信號無失真地進行傳輸，我們采用的傳感器均為電流型，下圖為接口電路板上的信號調理電路圖。為了最大限度利用控制板采樣電壓為正負10V，電流信號由取樣電阻轉換成電壓信號后經過穩壓管（保證輸入電壓小于10V，保護AD芯片），再加一級運放將電壓信號放大至10V后，這樣既能很好利用開發板也能提高采樣精度和準確度。 信號調理電路 4 系統軟件設計系統軟件的主體部分為功能軟件設計，采用ARMDeveloper Suite v1.2開發環境進行程序調試。包含多個功能模塊：以ARM 芯片LPC2131 為核心的控制模塊，以DDS芯片AD9833為核心的信號產生模塊，按鍵模塊和液晶顯示模塊。AD9833 可通過控制寄存器確定輸出信號類型（正弦波、方波、三角波、直流），由公式（1）與公式（2）可知，2個28位頻率寄存器FREQ0和FREQ1用于設定頻率控制字初值k，以決定輸出信號頻率；2 個12 位相位寄存器PHASEQ0 和 PHASEQ1 通過設定相位初值Dphase，以決定輸出信號的初始相位。通過SPI接口將數據寫入AD9833，在時鐘SCLK作用下，數據以16bit 串行方式加載到設備上，其中FSYNC引腳為使能端，電平觸發方式時，低電平有效。要注意FSYNC信號有效到SCLK下降沿的建立時間的最小值，進行串行數據傳輸時，FSYNC引腳必須置低，。 當FSYNC信號置低，在16個SCLK 的下降沿，數據被送入DDS的命令寄存器。第16個SCLK 下降沿FSYNC可被置高，但要注意SCLK下降沿到FSYNC 上升沿的數據保持時間問題4。另外，PC2131 在設置SPI 口波特率時，SPI 時鐘的分頻數必須為大于或等于8 的偶數。 AD9833控制軟件流圖如圖5所示Lpc2131初始化Ad9833初始化9個mclkDac輸出 y改變pselect改變相位 y 改頻率改變flsectY n n y 改相位 y n 改頻率 y 圖5 AD9833控制軟件流程由ARM處理器對鍵盤進行掃描，接收相應的命令和數據，包括功能選擇以及合成信號的頻率、調幅信號的調幅度、調頻信號的最大頻偏等，再通過鍵盤處理程序執行相應的操作和對顯示器裝配相應的數據。其中主程序如下：void Write_word(unsigned int data_dat) /寫控制字程序，多處函數需調用的子程序void main() Spi_Init(); /設置LPC2131 的P0.40.7 為SPI 串行通信口init_ad9833();/AD9833初始化delay_us(200);/延時程序output(1000);/輸出 5 系統調試及運行結果分析文中設計的信號源采用DDS芯片結合ARM控制技術，使得整機結構簡單，性能良好，能夠輸出穩定的三角波，方波，正弦波。經實際測量，其分辨率，信噪比和幅度控制都能很好完成設計需求，且抗干擾能力強。由于針對的應用對象頻率范圍較低，選用DDS 芯片較低端產品AD9833 即可很好滿足要求5。這種方法產生的信號精度高，穩定度好，需要不同的頻率時只需修改鍵盤輸入就能完成，因此其應用領域非常廣，適當添加外圍電路可應用于高頻系統，對波形要求較高的場合更為適用。本文使用了主流的低功耗嵌入式處理器ARM 芯片，它的功能比一般的單片機更為強大，可同時控制更多的功能模塊，有利于產品的升級。6結束語該系統通過不斷的查閱資料以及實驗達到了預期的實現目的但任然存在不足，采用的ad9833，ad9833本身存在一些問題，輸出信號質量需要進一步提高，此信號源輸出高于20khz頻率信號時會產生一定的失真在以后的設計過程中可以考慮把信號源輸出質量提高，減小信號失真，沒有輸出保護電路。在以后的設計中可以計入輸出保護電路，防止電路燒壞。設計程序時不能妄想一次就能將整個程序設計好，反復修改，不斷完善是程序設計的必經之路，在設計過程中遇到問題是很正常的，參考文獻1 張厥盛,曹麗娜.鎖相與頻率合成技術M.成都:電子科技大學出版社,1995:13.2 陳曉爭,鐘丹秋.基于AD9852 的嵌入式信號源的設計J.通信與廣播電視,2007(4):48-53.3 茅永峻,羅漢文,宋文濤.直接波形合成技術中新型濾波器的應用J.通信技術,2002(11):19-21.4 王江濤,於洪標,