基于DDS技术的程控信号源设计

2019-08-06 16:40发布

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.


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