基于LPC2132数字信号源的设计与实现

摘要：介绍了基于LPC2132为主控芯片的数字信号发生器的设计方法，分别采用直接数字频率合成(DDS)芯片和可编程逻辑器件(CPLD)产生正弦波、方波和三角波，并设计了模拟信号放大与增益控制电路。通过键盘可方便的切换不同信号，实现了波形稳定、精度较高、幅频在规定范内可调的新型数字信号源。
关键词：LPC2132；数字信号源；DDS；CPLD

在计算机控制技术、通信技术飞速发展的今天，信号源作为现代电子产品设计和生产中的重要工具，其应用越来越广泛，对信号源的频率范围、稳定度、幅值与频率微调等提出较高的要求，普通的信号源已经不能满足现代电子技术的要求，因此，低成本高精度信号源的设计，在高校教学和产品开发中的推广使用具有非常重要的意义。本设计以PHILIPS公司生产的LPC2132微控制器为主控芯片，采用专用的直接数字合成(DDS)芯片AD9850产生正弦波和方波，的采用LPC2132+CPLD(EPM7128AETC100)方案产生三角波，设计了模拟信号放大与增益控制电路。可以实现多种波形输出，输出信号频率和电压峰-峰值步进可调，是一款新型的数字可调信号源。

1 系统原理与硬件设计
信号源的硬件整体结构如图1所示。以单片机LPC2132为控制核心，主要由键盘与LCD显示模块、正弦波和方波发生模块(DDS)、三角波发生模块(CPLD与高速D／A)、增益控制和放大模块组成。系统设计方案是根据信号源连续可调多波形输出的要求，采用MCU发送频率控制字给DDS芯片AD9850来实现的正弦波和方波的连续输出，而三角波的实现是由MCU发送频率控制字给CPLD和D／A产生。同时，单片机可以控制模拟转换开关选择输出波形，通过对放大驱动电路的数字电位器控制改变输出增益。信号的类型、幅度和频率的设置及显示，由键盘和LED显示器实现。

1．1 直接数字频率合成的原理
直接数字合成技术DDS(Direct Digital Synthesizer)是应用十分广泛的频率合成技术，用数字的方法获得一个正弦信号原理如下：设单频正弦信号表达式为：
Sout=Asinωt=Asin(2πfoutt) (1)
为了便于采用数字技术，对连续的正弦信号进行离散化处理，即把相位和幅值均转化为数字量。用频率为fclk的基准时钟对正弦信号进行抽样，在一个基准时钟周期Tclk内，相位θ的变化量为：

上式表明，在基准时钟信号频率fckl确定的情况下，输出正弦信号的频率值fckl决定于M的大小，且与M呈线性关系。M称为频率控制字，N为相位累加器字长。当M取1时，可以得到输出最小频率，即频率分辨率为。
将相位转化为数字量以后，正弦信号描述为如下形式：

其中Mk-1指前一个基准时钟周期的相位值。
由此可知，只要用频率控制字M进行简单的累加运算，就可以得到正弦函数的当前相位值。而正弦信号的幅值就是当前相位值的函数。获得正弦信号的方法如图2所示：先构建一个N位的相位累加器，在每一个时钟周期内，将相位累加器中的值与频率控制字相加，得到当前相位值。将当前相位值作为ROM的地址，读出ROM中的正弦渡数据，再通过D／A转换成模拟信号。只需改变频率控制字，就可以一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出，此正弦波可直接经过比较器可转换为方波输出。

1．2 AD9850电路设计
信号产生采用单片机LPC2132和专用DDS芯片AD9850组成，电路原理如图3所示，单片机与AD9850的数据传送采用并行接入方式，电路通过J1接口与LPC2132相连，其中，D0～D7与单片机系统的数据总线相连，RESET、FQ_UD、W_CLK分别与单片机的I／O口线相连。AD9850内部DAC为电流输出，其满量程输出电流可通过外接电阻R1调节，IOUT和IONTB为DAC输出的电流信号。通过外接电阻R3和R4将电流信号转换为电压信号。由DAC输出的电压信号经过低通滤波，目的在于滤除高频杂散和谐波，设计中采用了一片集成集成开关电容低通滤波器LT6600，截止频率为10MHz，内部带有全差分放大器，通过改变R7和R8的阻值可获得不同的放大倍数。AD9850内部设有高速电压比较器，将低通滤波器的输出信号和一固定的直流电平(来自LT6600的第2脚和第7脚)送到比较器的输入端，可得两路与正弦信号频率相同且互为反相的方波信号。

主要技术参数分析：1)具有极高的频率分辨率和相位分辨率，且相对频带很宽。这是DDS最主要的优点。因为DDS的频率分辨率决定于相位累加器的位数和参考时钟频率，只要相位累加器的位敷足够长，DDS的频率分辨率可以达到足够高，所以说频率分辨事和相位分辨率是传统的频率合成方法无法比拟的。2)杂散抑制差，也是DDS的主要缺点。DDS在寻址波形表时，都采用了相位截断技术，它的直接后果是给DDS输出引入了杂散。