江苏电曩（２００８Ｎｏ．９）基于直接数字频率合成技术的信号发生器设计薮亟计与新竞＋《基于直接数字频率合成技术的信号发生器设计徐俊，黄钊，肖站，叶雪荣，梁慧敏（哈尔滨工业大学罗克韦尔自动化实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：基于直接数字频率合成技术（ＤＤＳ），以ＬＰＣ２１３２单片机和ＡＤ９８５２芯片为核心，并辅以外围模拟电路，没计了信号发生器。信号发生器由单片机系统、键盘液晶显示模块、波形发生模块和功率放大模块组成，实现了ＡＭ、ＦＭ、ＰＳＫ、ＡＳＫ、ＦＳＫ信号调制。其巾功率放大模块提高了输出波形质量并增强了其带载能力。应用嵌入式操作系统ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ，减少了系统的软件设计周期，并为各个任务的分配提供了良好的开发环境，体现了实时操作系统的优越性。关键词：直接数字频率合成技术；信号发生器；ｕｃ／ｏｓ—ＩＩ操作系统；ＡＤ８１１运算放大器中图分类号：ＴＭ７３；ＴＮ７４文献标识码：Ａ文章编号：１００７—３１７５（２００８）０９—０００６—０４ＤｅｓｉｇｎｏｆａＳｉｎｅＷａｖｅｆｏｒｍＧｅｎｅｒａｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＸＵＪｕｎ，ＨＵＡＮＧＺｈａｏ，ＸＩＡＯＺｈａｎ，ＹＥＸｕｃ－ｒｏｎｇ，ＬＩＡＮＧＨｕｉ－ｍｉｎ（ＲｏｃｈｗｅｆｌＬａ＆ＨａｒｂｉｎＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）ｂａｓｅｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｗａｖｅｆｏｒｍｇｅｎｅｒａｔｏｒｗａｓｄｉｒｅｃｔｄｉｇｉｔａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ｗｉｔｈＬＰＣ２１３２ａｎｄＡＤ９８５２ｔｈｅｋｅｙ，ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｂｙｎｅｃｅｓｓａｒｙａｎａｌｏｇｃｉｒｃｕｉｔ．Ｓｉｎｅｗａｖｅｆｏｒｍｇｅｎｅｒａｔｏｒｉｎｃｌｕｄｅｄｆｏｕｒｐａｒｔｓ：ＬＰＣ２１３２ｍｉｎｉｍａｌｓｙｓｔｅｍ，ｋｅｙ—ｂｏａｒｄ·ＬＣＤ—ｄｉｓｐｌａｙｉｎｔｅｒｆａｃｅｍｏｄｕｌｅ，ｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｍｏｄｕｌｅ．ＩｔａｃｈｉｅｖｅｄＡＭ，ＦＭ，ＰＳＫ，ＡＳＫ，ＦＳＫｓｉｇｎａｌｍｏｄｕｌａ－ｔｉｏｎ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｉｔｓｌｏａｄｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙ．Ａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｏｐ·ｃｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｕＣ／ＯＳ一Ⅱ。ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐｅｒｉｏｄｗａｓｒｅｄｕｃｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｕＣ／ＯＳ—１１ｓｙｓｔｅｍｐｒｏｖｉｄｅｄｆａｖｏｒａｂｌｅｅｘｐｌｏｒｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｅａｃｈｔａｓｋ，ｔｈｕｓｓｈｏｗｓｔｈｅｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｄｉｇｉｔａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓ；ｓｉｎｅｗａｖｅｆｏｒｍｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｔｔＣ／ＯＳ－Ⅱｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ＡＤ８１１ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ０引言信号发生器是现代电子系统的重要组成部分，ｇａｔｅａｒｒａｙ）实现，另外一种是采用专用的信号发生芯片。其中利用ＦＰＧＡ实现信号发生器…，由于受ＦＰＧＡ特性的，其产生的信号频率范围较窄。是决定电子系统性能的关键设备。它在通信、雷达、电子对抗、导航、广播电视、遥控遥测、仪器仪表本设计采用以ＤＤＳ技术为核心的ＡＤ９８５２芯片，完成了高分辨率的正弦信号的产生，其信号频率的范围大大宽丁利用ＦＰＧＡ所实现的频率范围，并实现了ＡＭ、ＦＭ、ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ等调制信号。等许多领域中应用广泛。传统的利用电子线路产生的信号，其稳定性和可调性较差，而且产生的频率，一般只在低频范围内。较之传统方法，采用直接数字频率合成技术ＤＤＳ（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ）ｌＤＤＳ的基本原理ＤＤＳ是把一系列数字量形式的信号通过数／模转设计的信ｕ．发生器，其产生的信号具有波形稳定性好、频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换时相位保持连续的优点。换器转换成模拟量形式的信号合成技术‘２１。基本的ＤＤＳ是把一个单位幅度的正弦函数在０～２Ｑ的相位区间上分成２“个等间隔点，计算出目前实现ＤＤＳ技术的方式主要有两种，一种是采用现场可编程门陈列ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ—ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ各点对应的正弦函数值，并用口位二进制数表示，作者简介：徐俊（１９８５－），男，硕士研究生，研究方向为电器可靠性。一６一万方数据 基于直接数字频率合成技术的信号发生器设计然后写入有Ⅳ位地址线，口位数据线的ＲＯＭ中，构成正弦表。合成频率的过程是控制改变相位增量Ａ咖（ｎ），由于相位增量不同，在一个正弦周期内的取样点就不同，而取样是在系统时钟控制下进行的，即取样周期是一定的，因此，根据相位增量和所对应的点，从ＲＯＭ中读出相应函数值所形成的量化正弦波周期也随着相位增量的改变而改变，从而达到合成所需频率的目的。ＤＤＳ基本由五部分组成：频率码锁存器（ＦＲ）、相位累加器（ＰＡ）、ＲＯＭ（存入正弦表）、数／模变换器（Ｄ／Ａ）、低通滤波器（ＬＰＦ），在时钟的统一协调下工作。ＤＤＳ的基本结构如图１所示。输出频室工图１ＤＤＳ的基本结构、２系统硬件设计２．１信号发生器主体电路的设计信号发生器系统上要包括ＬＰＣ２１３２微控制器，ＡＤ９８５２、姒ｘ２３２电平转换芯片，ＺＬＧ７２９０键盘芯片，／０）８１１高速运算放大器和液晶。之所以选用ＬＰＣ２１３２芯片作为核心控制器，是因为该芯片采用ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—Ｓ核∞１，具有单电源供电和ＪＴＡＧ（ＪｏｉｎｔＴｅｓｔＡｃｔｉｏｎＧｒｕｏｐ）仿真调试的功能，而且在该控制器上可以移植ｕＣ／０Ｓ－ＩＩ操作系统，从而可以实现实时的任务调度。在整个系统中，ＺＬＧ７２９０键盘芯片完成用户的键盘输入功能，通过Ｉ２ｃ总线向ＬＰＣ２１３２发出键盘中断信号，ＬＰＣ２１３２分析和处理用户的指令，完成对ＡＤ９８５２的信号合成控制。高速运算放大器ＡＤ８１１对合成的信号进行功率放大，实现在５０Ｑ的负载＿｝：信号电压峰一峰值达到（６±１）Ｖ。为了达到低噪声的效果，最后在信号输出上加了一级滤波电路。系统框图如图２所示。图２系统框图万 方数据江苏电墨（２００８Ｎｏ．９）２．２滤波电路的设计滤波器的丰要作用是用来平滑由ＡＤ９８５２产生的梯形波形，滤除合成信号杂散的频率分量，提高合成信号质量。不同信号的性质决定了选取不同类型的抗混叠滤波器。由于本系统输出的信号是单一频率的正弦信号，则要求滤波器的幅频特性在通带内非常平坦，通带外选择性好，因此选用了椭圆滤波器。椭圆滤波器的幅度函数为：ＩＨ（ｊ∞）ｌ毡雨旃两（１）式中的Ｅ为小于１的正数，表示纹波情况，Ｒｏ（。）为关于信号频率的的多项式。椭圆滤波器的设计参数是临界频率∞，（ｉ：１，２，…，ｋ）和Ｆ。这些参数应满足图３所示的幅度条件。ｌｉＡ－董Ａ２∞ｃ１ｌ“ｃ２∞／（ｒａｄ·ｓｑ）图３幅度条件４。≤ＩⅣ（ｊ。）ｌ２≤１Ｉ∞Ｉ≤∞。，（２）和：ＪＨ（ｊ∞）Ｉ２≤月：ｌ∞Ｉ≤ｕ。。（３）式（２）、（３）中的Ａ。是通带平方幅值，月：是阻带平方幅值，∞。。是通带纹波边界，∞。：是阻带纹波边界，且有：∞。Ｉ＜１＜∞。２∞ｃｌＤｃ２＝ｌ（４）根据计算，可得：Ａｚ２志（５）式中△是Ｉ∞Ｉ≤∞。。时１月。（∞）ｌ的最大值。由于Ｒｏ（１／Ｄ）＝１／兄（ｕ），这表示当ＩｕＩ≥∞。：时，ｌ亿（∞）的最小值为１／△，因此由式（３）要求：Ａ２＝南（６）综上所述即可设计出如图４所示的９阶抗混叠椭圆滤波器。该滤波器的截ＩＬ频率为１５ＭＨｚ，满足正弦输出信号频率为１０ＭＨｚ的条件。一７一江苏电曩（ｚｏｏｓＮｏ．９）Ｌｌ工２上３厶Ｏ．６８ｕＨＯ．５６ｕＨＯ．４７斗Ｈ０．５６¨ＨＲｌＣｃ４ｃ７ｃａＦ５０Ｑ１２ｐＦ８２ｐＦ１００ｐＦ２２ｐＦ３３０ｐＦ＝ｃｊｃ３＝Ｃ２ｌ哩ｐＦ＝ｃ６ｃ８＝ｃＩｏ＝６８ｐＦ１５０ｐｒ２７０ｐＦ１５０ｐＦ．土图４９阶抗混叠椭圆滤波器２．３功率放大电路的设计此部分的核心器件是高速运算放大器ＡＤ８１ｌ，ＡＤ９８５２输出的信号经过此功率放大模块后即可得到放大，且能使输出波形清晰、稳定。功率放大部分由高速运放芯片ＡＤ８１１和甲乙类推挽输出级电路组成。其电路原理图如图５所示。由于ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５２的输出为一个含有５００ｍＶ直流分量的信号，直接通过高速运算放大器ＡＤ８１ｌ放大输出会产牛截止失真。因而此部分在ＡＤ９８５２与ＡＤ８１１之间加入了一个隔直电路，使ＡＤ８１１的输入信号不含有直流分量，从而避免了放大后输出发生截止失真。一１２Ｖ＋１２Ｖ图５功率放大原理图３软件设计由于系统采用了以ＡＲＭ７ＴＤＭＩ—ｓ为内核的微控制器，所以引入ｐＣ／ＯＳ－ＩＩ实时操作系统，此操作系统的源代码是公开的，而且具有可移植、可固化、可剪裁的特性。ｐＣ／０Ｓ—ＩＩ不支持时间片轮转调度法（Ｒｏｕｎｄ—ｒｏｂｉｎＳｃｈｅｄｕｌｉｎｇ）。全部ｕＣ／ＯＳ－ＩＩ的函数调用与服务的执行时间具有可确定性，即一８一万 方数据基于直接数字频率合成技术的信号发生器设计ｕＣ／ＯＳ—ＩＩ系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少Ⅲ。由于采用了ｕＣ／ＯＳ－ＩＩ操作系统，结合灵活强大的Ｃ编程语言，整个系统的软件设计流程图见图６。图６系统软件设计流程图程序设计中最重要的是频率控制字设定，其计算公式为：ＦＣＷ＝（ｆＸ２“）低．Ｋ（７）为了更容易地计算ＦＣＷ，用ＶＣ编写了ＡＤ９８５２Ａｓｓｉｓｔａｎｔ软件，用户可以设置系统时钟、幅度、偏移、初相等；该软件可以提供所需的频率控制字和幅值控制字，省去了大量的数学计算，提高了编程效率。界面如图７所示。图７ＡＤ９８５２Ａｓｓｉｓｔａｎｔ界面图４测试结果经实际测试证明，该系统可以精确地产生基于直接数字频率合成技术的信号发生器设计江苏电嚣（２００８Ｎｏ．９）１ｋＨｚ１０ＭＨｚ的正弦波，输出信号频率稳定度优于１０一，在５０Ｑ负载电阻上的电压峰一峰值＿。约为５Ｖ。用示波器观察时发现无明显失真，且波形较平滑。其波形如图８所示，图中横坐标每格为１００．０＾＾’，＾＾ｎｈｔｒｉｌｌＵ¨ＩＪｌｌｉｌ山ＩｌｉＵＵＩ８，、ＰＳ，纵坐标每格为５．００Ｖ。表ｌ为一组正弦信ＶＶ、ＶＶＩ‘ＴＩＴＩｎ丌¨ＴＴＩＴＴｒｒｍ删号的测试数据。ｔ／ｖｓ＿＾＞专＿＾／、／、／、厂、图９ＦＳＫ键控波形、／＼／＼／＼／＼／＼｜．Ｖｆ｜／Ｖ＼／Ｖ＼＼ＶＶ／＼／Ｖ５结语ＤＤＳ技术和嵌入式系统技术的结合，使信号发生器的性能提高到了一个新的水平，该系统产生的ｔ／ｐｓ波形稳定性好，频率精度高，引入ｖＣ／ＯＳ—ＩＩ操作系统大大减少了整个系统的软件开发周期，而且每个波形的程序都依模块化编写，需要实现不同的波输出幅度／Ｖ图８正弦波图表１正弦信号测试数据预制频率／ｋＨｚ实际输出频率／ｋＨｚ负载电阻／Ｑ形，只需加入相应的模块程序。该系统可广泛应用于科学研究和产品设计。参考文献［１］田书林，刘科，周鹏．基于双ＤＤＳ高速任意波的发生器的实现技术［Ｊ］．仪器仪表学报，２００４，２５（４）：５３４—５３７．［２］顾宝良．通信电子线路［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２：１５２—１５３．［３］周立功，张华．深入浅出ＡＲＭ７一ＬＰＣ２１３Ｘ／２１４Ｘ（上册）［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５：１—２．通过对ＡＤ９８５２的控制寄存器以及控制管脚的改变，可以产生ＡＭ、ＦＭ、ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ的信号，ＦＳＫ键控波形如图９所示，图中横坐标每格为５０．００１．ｔ［４］ＪｅａｎＪＬａｂｒｏｓｓｅ．Ｍｉｃｒｏｃ／ｏｓ—ＩＩＴｈｅＲｅａｌ—ＴｉｍｅＫｅｒｎｅｌＳｅｃｏｎｄＳ，纵坐标每格为５．００Ｖ，其传输的二Ｅｄｉｔｉｏｎ［Ｍ］．邵贝贝，译．北京：北收稿日期：２００８一０７一０３进制基带序列码速率为１０ｋｂｉｔ／ｓ，载波频率为１００ｋＨｚ。京航空航天大学出版社，２００５：７－９．由苏州电器科学研究所有限公司主办并编辑出版。《江苏电器》杂志是国内外公开发行的科学技术类期刊，中国标准连续出版物号：—ＩＳＳＮｌ００—７－３１７５，ＣＮ３２－１３４删本刊开辟“综述”、“设计与研究”、“产品与应用”、“工艺与装备”、“检验与测试”、“标准与管理”、“动征稿启事态与信息”等栏目。主要刊登高低压电器、高低压成套开关设备和控制设备、测试仪表及计算机应用等方面的技术论文、技术报告和技术交流方面的文章。本刊主要读者对象是高低压电器、高低压成套设备和其他电器产品的研究、制造、应用单位及其相关行业的企业、设计院、大专院校、科研单位的广大科技、营销、生产人员。内容丰富，兼顾提高与普及，通俗精练，实用性强。来稿一经刊用，即付稿酬。一９一万方数据
