信號源是電子產品測量調試、軍事裝備技術保障等領域的基礎電子設備。隨著科學技術的發展和測量技術的進步，在日益發展的電子技術領域，普通的信號發生器已經不能滿足生產和調試的需要。DDS技術是壹種新型的直接數字頻率合成技術，具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數字化、易於集成、體積小、重量輕等優點，在雷達和通信領域具有廣闊的應用前景。
1系統設計方案
本文提出了以DDS為信號發生核心器件的全數控函數信號發生器的設計方案。根據輸出信號波形類型可設置、輸出信號幅度和頻率可控、輸出頻率寬的要求，選用美國A/D公司的芯片AD9850，通過單片機程序對AD9850的32位頻率控制字進行控制和處理，然後放大加入以數字電位器為核心的數字衰減網絡，實現信號幅度、頻率、類型和輸出的選擇。該函數信號發生器的結構如圖1所示。
該系統主要由單片機、DDS直接頻率信號合成器、數字衰減電路、真有效值轉換模塊、A/D轉換模塊、數字積分選擇電路等組成。
2 DDS的基本原理
直接數字合成器(Direct digital synthesizer)是壹種頻率合成技術，從相位的概念直接合成所需的波形。直接數字頻率合成器通常由相位累加器、加法器、波形存儲ROM、D/A轉換器和低通濾波器(LPF)組成。DDS的結構如圖2所示。其中，k是頻率控制字(也稱為相位增量)，p是相位控制字，w是波形控制字，fc是參考時鐘頻率，n是相位累加器的字長，D是ROM數據位和DAC的字長。在時鐘fc的控制下，相位累加器在步驟k中累加，輸出的n位二進制碼加上相位控制字P和波形控制字W以尋址波形ROM。由波形ROM輸出的D比特幅度碼S(n)通過D/A轉換被轉換成階梯波S(t ),然後被低通濾波器平滑，從而可以獲得合成信號波形。由於合成信號波形取決於波形ROM中存儲的幅度代碼，因此DDS可以合成任何波形。
3硬件電路設計
3.1 DDS信號產生電路
考慮到DDS頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數字化、易於集成、體積小、重量輕等優點，本方案選用美國A/D公司的AD9850芯片，以單片機為核心控制器件，向DDS發送頻率控制字，使DDS輸出相應頻率和類型的信號。其DDS信號產生電路如圖3所示。
3硬件電路設計
3.1 DDS信號產生電路
考慮到DDS頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數字化、易於集成、體積小、重量輕等優點，本方案選用美國A/D公司的AD9850芯片，以單片機為核心控制器件，向DDS發送頻率控制字，使DDS輸出相應頻率和類型的信號。其DDS信號產生電路如圖3所示。
MCU與AD9850之間的接口可以是並行的，也可以是串行的。為了充分發揮芯片的高速性能，節省單片機資源，本設計采用並行方式，將AT89S52的P0口經74HC373鎖存器擴展後連接到DDS的並行輸入控制端(D0 ~ D7)。AD9850外部連接壹個120 MHz有源晶體振蕩器。產生的正弦信號可以通過低通濾波器(LPF)去除，以獲得具有良好波形的模擬信號。這樣，D/A轉換器的輸出信號經過低通濾波後，連接到AD9850內部的高速比較器，就可以直接輸出抖動很小的方波。然後將方波信號加到積分電路上以獲得三角波信號。此外，還可以通過鍵盤編輯任意波形的輸出信號。
3.2鍵盤輸入接口和LCD接口電路
本系統的數字輸入設置電路采用2×8矩陣鍵盤。由於LCD具有顯示內容多、電路結構簡單、占用單片機資源少等優點，本系統采用RT1602C液晶屏顯示正弦波的信號類型、頻率和峰峰值。圖4顯示了鍵盤輸入和LCD接口電路圖。
同樣，考慮到AT89S52單片機有限的IO引腳資源，本系統的鍵盤輸入和LCD輸出通過74HC245連接到AT89S52單片機的P0端口，實現端口擴展和復用。
3.3信號幅度數控預置電路
為了實現輸出正弦模擬信號幅度的數字控制和預置，本系統采用了AD811高速運算放大器、數字電位器衰減、真有效值轉換和A/D轉換等電路，具體電路圖如圖5所示。
數字電位器X9C102是實現信號幅度數字調節的關鍵器件。真有效值轉換模塊AD637主要負責信號的TRMS/DC轉換，然後通過TLC2453模數轉換將與正弦波信號幅度成正比的數字量傳輸給單片機，使單片機輸出合適的幅度控制指令。
3.4積分電容器自動投切控制電路
三角波是常用的信號之壹。在該系統中，RC積分電路用於將方波信號轉換成三角波。由於信號頻率很寬(低頻在1 Hz以下，高頻在60 MHz以上)，需要不同的積分電容(10pF，100pF，1 nF，10nF，100nF，100 nf)來完成不同頻段的線性積分。根據數控和自動切換的需要，本系統采用如圖6所示的CD4051電路。
CD4051的八分之壹控制信號來自AT89S52的P0 ~ P3接口，考慮到復用P0口也設置了74HC373P。AD9850輸出的方波通過積分電路轉換成三角波，其負載能力可以通過AD811的高速運算放大器來提高。
4系統軟件設計
4.1主程序
主程序可以控制整個系統，包括控制系統初始化、顯示、操作、鍵盤掃描、頻率控制、振幅控制等子程序。主程序流程如圖7所示。
初始化可以將系統設置為默認工作狀態，然後掃描鍵盤確定是否有按鍵被按下來確定用戶要執行的任務，同時通過判斷23H.4、20H.1、20H.0的功能標誌來確定要完成的功能，當23H.4=1時，計算頻率值的系統工作在頻率計模式；當20H.1=1時，峰峰值檢測系統會檢測輸出信號的峰值；當20H.0=1時，會更新LCD顯示內容，完成後會返回鍵盤掃描程序，重復循環。每個功能標誌位由鍵盤、峰-峰檢測和定時程序控制，從而實現各種功能。
4.2鍵盤掃描子程序
鍵盤掃描子程序如圖8所示。因為按鈕多。該系統采用2×8行列式鍵盤節省I/O口，用程序將8條列線全部下拉，然後判斷兩行線是否為低電平。如果沒有，則表示沒有按鍵，系統退出鍵盤掃描程序。否則依次下拉列線，然後行線低電平，依次判斷鍵數。在鍵號被確定之後，它們被轉移到與鍵號相對應的功能程序來執行。鍵盤主要是方便用戶設置頻率、幅度和選擇工作模式。
4.3信號頻率數字預置子程序
信號頻率數字控制程序流程如圖9所示。這部分程序主要用於將鍵盤輸入值轉換成十六進制數據，然後生成相應的頻率控制字並發送給DDS芯片改變DDS的相位增量，最後輸出相應的頻率信號。
5結束語
經過嚴格的實驗測試，證明該系統完全可以實現輸出信號類型的選擇和設置、信號頻率的數字化預置、信號幅度的數字化步進等功能。它是壹種全數控功能信號發生器，輸出信號頻率覆蓋範圍寬(0.023 Hz~40 MHz)，信號源分辨率高，波形失真小。具有壹定的實際開發價值。