基于DDS技术的智能信号发生器的设计 - 安防知识网

变压器绕组变形测试仪是保证电力系统安全运行的重要仪器之一，它需要程控的高精度的正弦信号才能正常工作。智能信号源为其提供了频率按步长值可自动更新输出的扫频信号，其性能的特点直接影响着变压器绕组变形测试仪的研发工作。传统的方法往往采取压控振荡器或分离模块组成的“直接数字频率合成器”（DDS）,但这些方法大都存在频率精度较低、误差大、使用不大方便等缺点[2]。为此，本文研制了一种基于DDS技术的智能信号源，具有频率精度高，频率范围较宽，操作快捷方便等优点。

1 系统原理及结构
系统结构框图如图1所示。原理：根据键盘输入的频率控制字，单片机AT89C51控制DDS芯片AD9850产生初始频率为1KHZ的正弦信号，然后根据键入的步长设定值，连续地进行频率自动增加并更新输出1MHZ以内的正弦信号，同时在液晶显示模块中显示出相应的频率值来；滤波器采用5阶巴特沃斯低通滤波器；功率放大选用宽带高性能运放AD811。

2DDS原理及芯片AD9850介绍
DDS即直接数字频率合成技术，是一种运用数字技术来实现产生信号的方法。由于采用了全数字大规模集成技术，具有体积小、价格低、频率分辨率高、频率转换快、合成范围宽、信号纯度高等优点。图2为DDS原理框图，它主要由相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器组成。在时钟脉冲的控制下，相位累加器对输入的频率控制字不断进行累加得到相应的相位码，同时，相位码序列作为地址信号去寻址波形存储器进行相位码-幅度码的转换，并输出不同的幅度编码。这一系列不同的幅度编码经过D/A转换器转换得到相应的阶梯电压波，最后经过低通滤波器平滑，即可得到相应的正弦波形。输出波形的频率由下式计算：FOUT=(K* FCLK)/2N。频率分辨率定义为：F=FCLK/2N。其中，FCLK为输入参考频率，K为输入的频率控制字，N为相位累加器的位数。

本文采用的DDS芯片AD9850可用的最高时钟频率达125MHZ, 相位累加器的位数为32，由上式可计算出在125MHZ时钟频率输入下，频率分辨率为0.0291HZ[4]。

3系统硬件设计
3.1 正弦信号输出电路
正弦信号输出电路由键盘、液晶显示、AT89C51和AD9850等组成。系统以AT89C51为核心，控制AD9850输出正弦信号，同时实时处理键盘输入的操作，并控制液晶显示模块输出。其中，AT89C51与AD9850的接口电路如图3所示。他们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。AT89C51通过I/O口的P1口与AD9850的DO-D7口相连，分五次来发送频率相位控制。每发送完一次控制字，须通过P3.1向AD9850的W_CLK端发送命令字来完成数据的加载，五次控制数据发送完成之后，再由P3.0控制FQ_UD进行频率/相位更新之后输出信号波形。在系统上电之后，要先进行AD9850复位和并行方式选择的初始化，这两点是芯片AD9850使用的关键技术。另外，输出信号根据设定的步进值进行频率自动更新输出是本设计的难点之一。[nextpage]

3.2 滤波器电路
由于AD9850的输出是采样信号，因此它的输出频谱遵循奈奎斯特采样定理，谱内既含有基波信号也含有高频谐波信号。另外，DDS采用全数字技术，因而不可避免会存在杂散干扰，直接影响输出信号的质量。为了滤出AD9850每次转换出现的所有杂波，我们在后级加上了30MHz的5阶巴特沃斯低通滤波器，使信号波形纯洁，失真度大大减少[5]，其电路图如图4。

3.3 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，驱动能力较弱,达不到变压器绕组变形测试仪扫频信号的要求，为此必须经过功率放大电路驱动后才能向绕组输出扫频信号。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，可以满足测试仪器扫频信号要求。但是，为了满足扫频信号10V电压的要求，需在功率放大电路之前，加一款宽带运算放大器将小信号放大到1V，然后再接AD811进行功率放放大。ANALOG公司的宽频高性能运放AD810，可以满足系统要求。其中，功率放大器AD811的电路图如图5。

4 系统软件设计
本系统软件设计主要是对单片机的程序编写，依次完成液晶LCD的初始化、AD9850的复位和并行接口方式的初始化、扫描并读取键盘、控制AD9850更新频率输出波形和LCD液晶显示等。难点是AD9850的并行接口方式的初始化和根据步长设定值频率自动更新输出波形。