近年來，直接數(shù)字合成DDS(Direct Digital Synthesis)[1]技術(shù)飛速發(fā)展，同時也得到了廣泛的應(yīng)用。基于DDS技術(shù)的信號發(fā)生器，其信號頻率和相位的調(diào)節(jié)一般是通過頻率控制字和相位控制字進行控制，而幅值的調(diào)節(jié)有多種方法。本文介紹了信號發(fā)生器幅值調(diào)節(jié)的一種新方法，即通過控制D/A芯片THS5661的參考電壓來實現(xiàn)信號幅值的調(diào)節(jié)。

    D/A是數(shù)字信號通向模擬信號的橋梁，在現(xiàn)代控制、通信及檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在信號發(fā)生器中起著舉足輕重的作用。本文通過兩個THS5661芯片（D/A（1）和D/A（2））完成信號發(fā)生器信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換和幅值調(diào)節(jié)。其中，D/A（1）實現(xiàn)信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換；D/A（2）輸出不同幅值的電壓信號，將該電壓信號輸入D/A（1）的參考電壓端，作為D/A（1）的參考電壓。這樣通過微控制單元MCU（Micro Control Unit）與D/A（2）的數(shù)字量通信來改變D/A（2）的輸出幅值，從而改變D/A（1）的參考電壓，最終實現(xiàn)信號發(fā)生器幅值的調(diào)節(jié)[2]。信號發(fā)生器輸出信號的頻率和相位通過MCU控制FPGA實現(xiàn)，該方案簡單易行，調(diào)節(jié)方便。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1 硬件整體設(shè)計
    系統(tǒng)硬件整體原理框圖如圖1所示。MCU產(chǎn)生調(diào)幅控制字，通過串行的方式輸入串/并轉(zhuǎn)換器中，并將控制字鎖存，串/并轉(zhuǎn)換器的使用可以節(jié)約MCU的I/O資源，還可以給D/A（2）一個穩(wěn)定的調(diào)幅信號，使其穩(wěn)定運行。調(diào)幅控制字使調(diào)幅D/A（2）產(chǎn)生一定的電壓信號并輸入到D/A（1）的參考電壓端，該參考電壓控制著波形幅值的大小，從而實現(xiàn)信號發(fā)生器幅值的調(diào)節(jié)。

    FPGA實現(xiàn)DDS，由MCU控制信號波形控制字、頻率控制字和相位控制字的輸入，使DDS產(chǎn)生數(shù)字信號，該數(shù)字信號通過D/A（1）轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過放大電路和低通濾波[3]等調(diào)理電路最終實現(xiàn)幅度、波形、頻率和相位均可調(diào)的信號發(fā)生器。

1.2 D/A參考電壓調(diào)幅原理
    本系統(tǒng)采用兩個12 bit D/A芯片THS5661實現(xiàn)信號的數(shù)/模轉(zhuǎn)換和幅度調(diào)節(jié)[4]。THS5661是一款12 bit高速低功耗芯片，可輸入0~5 V的外部參考電壓。如圖2所示，數(shù)字信號是由FPGA產(chǎn)生，通過FPGA_OUT端輸入到D/A(1)，調(diào)幅信號是由MCU控制，通過串/并轉(zhuǎn)換器將調(diào)幅信號鎖存并輸入D/A(2)，串/并轉(zhuǎn)換器采用12 bit串行通信鎖存器M66320。整個系統(tǒng)在MCU的控制下，就能夠產(chǎn)生幅值可調(diào)的信號。理論上，D/A（1）的參考電壓在0～5 V之間變化時，波形幅度也會相應(yīng)地發(fā)生變化。而D/A（2）輸入一個恒定的5 V參考電壓，這樣通過MCU調(diào)幅控制字的輸入和D/A（2）后端模擬信號的調(diào)理電路就可以產(chǎn)生-5 V~+5 V范圍內(nèi)變化的電壓信號，其零點對應(yīng)數(shù)字量為2 048。取其0~5 V（對應(yīng)數(shù)字量為2 048~4 095）之間的電壓控制D/A（1）的參考電壓來完成波形幅度的調(diào)節(jié)。

    通過D/A的參考電壓來調(diào)節(jié)信號幅度，需要D/A(1)和D/A(2)的有機結(jié)合。在系統(tǒng)運行過程中，D/A(2)最終輸出的電壓信號直接影響著D/A(1)的信號輸出。由圖2可以看出，D/A(2)輸出的電流信號經(jīng)過后續(xù)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成了電壓信號，其表達式為：
    
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 FPGA軟件設(shè)計
    如圖3所示為FPGA的頂層文件。其中，MCUInter-Face為MCU接口控制模塊，DDSCore為DDS核心模塊[6]，PPL為鎖相環(huán)[7]。MCUInterFace的輸入接口ALE、RST、WR、P0[7..0]和P1[4..0]與MCU的I/O口連接，MCU通過一定的時序向MCUInterFace輸入DDS的頻率控制字、相位控制字和波形控制字，經(jīng)MCUInterFace轉(zhuǎn)換后將相應(yīng)的控制字輸入到DDSCore中，從而實現(xiàn)DDS頻率、相位和波形的控制。MCUInterFace模塊可減少MCU I/O口的使用，節(jié)省MCU的I/O資源。

    本系統(tǒng)最終實現(xiàn)指標如下：
    (1)波形：正弦波、方波、三角波、鋸齒波等任意波。
    (2)幅度：范圍0~±5 V，分辨率0.1 V。
    (3)頻率：范圍0~1 MHz，分辨率0.993 Hz。
    (4)相位：分辨率π/512。
    本文給出了一種幅度可調(diào)信號發(fā)生器的設(shè)計方法。通過調(diào)節(jié)D/A芯片的參考電壓，實現(xiàn)了信號幅度的調(diào)節(jié)，該方法簡單易行，控制方便。系統(tǒng)軟件采用C語言和VHDL語言在IAR Embedded Workbench 5.40和QuartusⅡ 6.0開發(fā)環(huán)境中進行軟件設(shè)計。最終實現(xiàn)了幅度可調(diào)的信號發(fā)生器。在電氣安全測試方面，該系統(tǒng)已在人體感知電流閾值測試中得到了應(yīng)用。
參考文獻
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