基于DDS技术的程控信号源设计

只看该作者 · 2012-3-24 10:40

近年来，随着直接数字频率合成技术(direct digital frequency synthesis，简称DDS)的发展，基于DDS技术的合成信号发生器，在正弦信号源的设计与使用中日益广泛．它与以往的射频信号源、锁相信号源和模拟频率合成信号源相比较，其频率分辨率高，指定频率的重复性好，而且易于程序控制．DDS技术的原理主要是通过相位与幅度的对应关系实现的，由于不同的控制字对应相位累加器中不同的相位累加速度，用此速度从正弦幅值表中进行查询，获得指定的幅度序列，最后通过数模转换输出．
1 AD9851的主要功能特点
AD9851是AD公司采用先进的DDS技术生产的高集成度的DDS芯片，它的内部具有高速、高性能的D/A转换器和高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器．外接参考频率时，AD9851可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可控制的稳定度极高的模拟正弦波，这个正弦波可以作为信号源，直接输入其内部高速比较器并转换为方波输出．
AD9851系统功能原理图如图1所示，AD9851引脚图如图2所示．

图1 AD9851内部结构图

图2 AD9851引脚图
AD9851内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率、相位控制字，相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后，决定最终输出信号频率和相位的范围及精度．然后再经过内部D/A转换器，得到最终的数字合成信号．如果相位累加器的位数为N，相位控制字的值为FN，频率控制字的位数为M，频率控制字的值为FM，参考时钟乘法器使能为系统外部参考时钟，频率为30 MHz，6倍频，经过内部6倍参考时钟乘法器后，可得到AD9851内部工作时钟Fc为180 MHz，此时最终合成信号的频率可由公式(1)来决定，合成信号的相位由公式(2)来决定．
F= FMFC/2M (1)
θ=2πFN/2N (2)
2 AD9851的控制方式
AD9851内部有5个输入寄存器，储存来自外部数据线(D0～D7)的32位频率控制字、5个相位控制字、1位6倍参考时钟倍乘器使能控制、1位电源休眠功能(powerdown)控制及一位逻辑0．寄存器接受数据的方式有并行输入和串行输入两种方式．并行输入方式(见图3)是通过D0～D7 8位数据线来完成40位控制数据的输入．复位信号RESET有效，会使输入数据地址指针指向第一个输入寄存器，WCLK信号上升沿写入第一组8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个WCLK上升沿，即可完成40位控制数据的输入，FQ-UD信号上升沿后40位数据，从输入寄存器被写入频率和相位控制寄存器，更新DDS的信号输出频率和相位．

图3 并行输入方式时序图
3 AT89S52控制AD9851的电路设计
AD9851的数据可直接与多种单片机相连，本研究采用的单片机为Atmel公司的AT89S52，图4为AT89S52和AD9851的接口框图．AT89S52是一个低功耗、高性能CMOS 8位单片机，片内含8kBytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元．

图4 AT89S52和AD9851的接口电路图
键盘控制电路是由AT89S52 P1口的P1.0～P1.7和P3口的P3.4～P3.7利用键盘查询方式采集8×4键盘阵列输入的控制信号；显示电路由P3.0(RXD)作串行信号输出、P3.1作时钟信号输出，控制6组74HC164和数码管；AT89s52将键盘输入的信号频率和相位值转换为5×8B控制字，利用并行输入方式(如图3)输入给AD9851，AD9851首先输出频谱纯正的正弦波，经VINP进入AD9851的内部高速比较器，再由VOUTP输出稳定性好的方波．方波信号可由相应的转换电路得到频率连续可调的三角波、锯齿波、脉冲等．
4 AT89S52控制AD9851的程序设计
整个系统电路的程序设计采用模块化的C程序设计，系统主程序流程如图5所示．

图5 系统主程序流程图
首先为系统设置一系列初始值，再利用查询方式扫描键盘输入的一系列信号的频率和相位值，储存到指定的存储单元，经不同算法转换成AD9851和显示电路所需要的数据格式并储存起来，AT89S52接受到键盘输入的显示信号和向AD9851输出指令后，启动显示和输出程序模块，使AD9851产生响应的信号输出．
5 结束语
从程控信号源硬件电路和它的软件编程的实际效果来看，其工作可靠、效果良好、换频速度快，既满足了高稳定度、高精度、高分辨率的要求，又有价格低廉、体积小的特点，AD9851芯片输出频率可达数十MHz．为了尽量少地占用单片机的资源，单片机与AD9851的数据传送方式也可采用串行方式．