基于AD9851的信号源

基于AD9851的信号源 题目： 直流宽带放大器 作者：郝红卫 郭传涛 史航伟 日期： 2009.08.10 一、摘要…………………………………………………………2 二、前言…………………………………………………………3 三、方案比较与论证……………………………………………4 3.1 方案一 …………………………………………………4 3.2 方案二 …………………………………………………4 3.3 方案三 …………………………………………………4 四、系统及单元模块的设计……………………………………4 4.1系统总体框图 …………………………………………4 4.2硬件模块的实现及工作原理 …………………………5 4.3系统的软件设计 ………………………………………7 五、系统调试……………………………………………………9 5.1系统硬件的调试 ………………………………………9 5.2 系统软件的调试 …………………………………………9 六. 系统功能、指标参数………………………………………10 6.1测试使用的仪器 ……………………………………………10 6.2测试数据 ……………………………………………………10 七、设计总结……………………………………………………11 八、参考文献……………………………………………………12 九、附录…………………………………………………………13 9.1系统原理图………………………………………………13 9.2源程序……………………………………………………14 2 摘 要 本系统采用STC12C56S2单片机控制AD9851信号发生模块，完成波幅，步进，固定输出频率以及初始相角的设置，通过高速A/D转换实时的将输出波幅显示到12864液晶显示屏上，还可以将相关设置信息存储到STC12C56S2单片机 的EEPROM，从而实现了记忆功能，本系统包括键盘控制，程控放大，波幅采 样，液晶显示等部分。 关键字： 宽带 放大器 单片机 AD603 前 言 随着科学技术的快速发展，对信号频率的稳定度和准确度提出了越来越高的要 求，如果信号源的频率和精度不够高，就很难达到通信和电子测量的要求，因此， 频率和稳定度是信号源的一个重要的技术指标。 在传统的RC，RL为主振级的信号源中，频率准确度只能达到1/100，频率稳定度最多只有1/1000量级，远远不能满足现代通信和电子测量的要求，而以石英 晶体振荡器产生的频率稳定度很高，但其只能产生某一固定的频率，达不到对频 率多样化的要求，为此，需要采用频率合成技术。它通过对一个或几个高稳定度 的频率进行加减乘除的算术运算，得到一系列所要求的频率。直接数字频率合成 法DDS就是这样一种技术，它突破了模拟频率合成法的原理，从相位的概念进行 频率合成，从而得到任意初始相位的波形。 DDS频率合成具有稳定度和准确度高，抗干扰能力强等特点，在现代信号产生器 中占有重要的地位。 3 三 方案比较与论证 方案一：采用高速D/A转换器，通过单片机查表，得到相应的波形，这种方法可 以实现对波形及频率的数控，但单片机的速度相对较低，只能产生10K左右的频率，达不到要求。 方案二：采用单片函数发生器（如8038），8038同时可以产生正弦波，脉冲波， 方波，方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，实现频率的数控， 但其输出的频率较低，只有300K左右，且其稳定度和准确度较低。 方案三：采用DDS数字频率合成器。这是目前实际应用中常采用的波形发生方案， 故采用之。 四、系统及单元模块的设计 1 系统总体框图 2各模块原理图及参数计算. 4 (1) AD9851外围电路及设计略(由于本设计采用成品模块,模块包含晶 振,70M低通滤波器) (2) 键盘与STC12C5A56S2单片机的连接 (3) 后级缓冲及放大部分. 在后级的放大电路中采用AD603。AD603是这样一种具有程控增益调整功能 的芯片。它是美国ADI公司的专利产品，是一个低噪、90MHz带宽增益可调的集 成运放，如增益用分贝表示，则增益与控制电压成线性关系，压摆率为275V/μs。 管脚间的连接方式决定了可编程的增益范围，增益在-11～+30dB时的带宽为90Mhz，增益在+9～+41dB时具有9MHz带宽，改变管脚间的连接电阻，可使增益 处在上述范围内。 由于需要放大的信号在几十兆，因此将AD603接成成如下图一所示的形式， 其放大倍数AD603的增益为40Vg+10，其中Vg为管脚1和2之间的电压差，一 般情况下2管脚节固定的0.5V电压，在90M的带宽内，其最大放大倍数为30db。后级的放大倍数为固定的10db，在此可以通过控制第一级的1管脚上的电压来 5 调节放大器的增益，达到了数控的目的。 在图一中，第一级由高精度，高带宽的NE5532运放构成电压跟随器以提高 放大器的输入阻抗（由于AD603的输入阻抗仅为100Ω左右，因此前级需加电压 跟随其以提高输入阻抗），减小AD9851上的功耗；第二级是一个由AD603组成的程 控放大器，其放大增益由1管脚上的输入电压控制；第三级为AD603的固定接法，将信号放大3倍左右。 图一 缓冲及放大电路 (4) 放大器的D/A控制部分 在放大器增益的控制中，采用MAX5352转换器，其是一款高速的12位D/A转换器，由于AD9851输出波幅只有160MV左右（在20M输出时），要将其放大到 5V,其1脚的控制电压可有以下方程解得： 20lg(5/0.16)=10(40Vg+10) （1） Vg=Vcontrol-0.5 （2） 由（1），（2）两式可得，Vg=0.75V，在控制中，最小的放大倍数为0，即40Vg+10=0，所以Vg=0.25，此时AD603的正反向控制电压差为-0.25，代入40Vg+10中可得放大倍数为0。 6 而控制的D/A转换的分辨率为12位，在初始是需保持输出电压为0.25V，用2.5V的基准，其控制代码为，0.25*4096/2.5=409.6=0x0199在降幅从0.16V到 5V提升的过程中，电压共变化了0.5V,即控制代码递增了0x0333，若要步进0.1V,则大致可得每次需递增的控制代码为0x11。 （4）输出波形幅值采样电路设计 对输出波形的幅值采样需另接一个电压跟随器来实现，外接电压跟随器后， 可将采样电路的输入阻抗提高到GΩ级，从而减小因AD转换器对输出波形质量 造成的影响，达到实时采样的目的，如图二所示： （5）系统软件设计 此设计的软件设计较复杂一些，在定时器1S中断中对输出的波形进行N（可以自己设定）次采集，并逐次比较，得到的最大值即是输出波形的幅值，然后将 得到幅值送液晶显示。将键盘通过门电路连接到外部中断，在中断里对键盘进行 扫描，读得键值后进行判断并执行相应的操作。 模块程序设计流程如下所示： ? 定时器中断程序流程图 7 ? 外部中断程序流程图 8 五、系统调试 9 1 硬件调试 硬件调试主要是后级的缓冲放大，在后级的缓冲中处开始选用CA3140高阻抗运放，其输入阻抗高达几千兆欧，但其频带较窄，只有4.5M左右,因此不能满足对较高频率的信号进 行跟随,最后选取高性能,带宽较宽的NE5532运放,其输入阻抗达300KΩ,带宽可达10MHZ,基本满足设计要求。 在后两级的放大中用高达90M带宽的AD603组成程控放大器进行放大，其对电源的稳定 度要求较高，因此其正负电源旁都必须加旁路和去耦电容，结合所需放大电路中存在高低频 噪音频率的大小，取0.1uF和10uF的去耦和旁路电容，得到较好的放大效果。 2 软件调试 软件调试较麻烦，最终经过多次修改后，达到预期要求。 六. 系统功能、指标参数 6.1 测试使用的仪器 RIGOL DS 5062M双踪示波器 数字万用表 DF1731可跟踪直流稳定电源 6.2测试数据 (1) 预置频率实测数据 次预置频实测频次预置频实测频次预置频实测频率 数 率（HZ） 率（HZ） 数 率（HZ） 率（HZ） 数 率（HZ） （HZ） 1 100 100 5 500K 500K 9 10M 99999.99 2 1K 999.99 6 1M 9999.99 10 20M 20M 3 10K 9999.99 7 2M 2M 11 - - 4 100K 100K 8 5M 5M 12 - - 10 (2) 频率步进实测数据 步进原始频实测频步进原始频实测频 （HZ） 率（HZ） 率（HZ） （HZ） 率（HZ） 率（HZ） 50 1K 1049.99 100K 1K 00K 100 1K 1.1K 1M 1K 9999.9 1K 1K 10.99K - - - 10K 1K 110K - - - .设计总结 通过对信号发生器电路的设计、软件仿真、性能测试，系统完成0-70MHZ的小信号产生，由于用的运放带宽只有5M，因此放大后实际可用的信号好中从0-5MHZ。通过此次信号的处理，更好的掌握了单片机汇编语言的编程方法和设计资料的获取， 了解工程设计的基本方法。 通过此次设计，了解到限制该系统的最大工作频率及稳定度大致有4个因素：?电路的布局，在信号发生器中，其信号在兆级，属较高频，电路的布局，耦合电 容，气昂路电容军队其信号产生一定的影响。?运放的带宽：运放的带宽决定了其 最优工作频率范围，若超出了其工作带宽必然导致其输出波形畸变但宽带宽运放价 格昂贵，在实际工程中，要权衡经济和实用，选择一个即实用又经济的方案。 11 1 2 源程序略 12 [1] 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用.科学出版社，2002.01. [2] 傅劲松. 电子制作集锦 福建科学技术出版社 2005,06. [3] 全国电子设计竞赛获奖作品汇编 北京理工大学出版社 2004,08. [4] 严洪穗 ,宋 进 ,陈敏贤. 超声波测距在智能机器人中的开发与应用J . 机电一体化 ,2000(5) :16 - 18. [5] 何立民.单片机微机应用文集 M . 北京:北京航空航天大学出版社 ,1991. [6] 袁易全.近代超声原理及应用 M . 南京:南京大学出版社 1996. 13