基于DDS的程控信號發(fā)生器設計

摘要：采用了直接數(shù)字頻率合成技術(DDS)和計算機控制技術，選擇美國Analog Devices公司的高度集成DDS芯片AD9851和AT89S52單片機作為控制器件，設計了一種基于DDS的程控信號發(fā)生器。用C語言進行了軟件應用設計。實驗結果表明，該信號發(fā)生器能較好地產生較高穩(wěn)定度的激勵信號，具有較高的實用價值。
關鍵詞：DDS；信號發(fā)生器；AD9851；AT89S52

    信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應用于電子電路、自動控制和科學實驗等領域。它是一種為電子測量和計量工作提供符合嚴格技術要求的電信號設備。信號的頻率和穩(wěn)定度是信號發(fā)生器的重要指標，一般的信號發(fā)生器很難滿足特定的要求，本文運用計算機控制技術和直接數(shù)字頻率合成技術(Direct Digital Frequency Synthesis)開發(fā)出基于DDS的程控信號源。

1 系統(tǒng)總體設計
    AD9851可以與多種單片機連接，以完成數(shù)據(jù)傳遞與控制等。本設計采用Atmel的單片機AT89S52。
    AD9851與AT89S52的接口電路如圖1所示。

    該系統(tǒng)的硬件設計包含四個模塊：
    (1)數(shù)據(jù)傳送控制電路。數(shù)據(jù)傳送控制電路的主要功能是將AD9851所需要的頻率／相位控制字通過AT89S52微處理器以并行方式或串行方式輸入到AD9851的控制字寄存器。根據(jù)電路設計的整體思路和資源配置，這個電路可采用并行輸入方式為AD9851輸送40位頻率／相位控制字。
    (2)鍵盤控制電路。利用鍵盤可以實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令、切換功能等。鍵盤可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤，本設計采用4×8矩陣式鍵盤。
    (3)顯示電路。鍵盤和LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中實現(xiàn)人機對話的一種基本方式。在該頻率顯示系統(tǒng)的設計電路中，主要是由6個數(shù)碼管、移位寄存器和3個LED指示等組成。
    (4)單片機最小系統(tǒng)設計。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2．1 數(shù)據(jù)傳送控制電路
    如前所述，AD9851所需要的40位頻率／相位控制字可通過AT89S52微處理器以并行方式或串行方式輸入到AD9851的控制字寄存器。AD985 1的7腳(FQ_UD：頻率更新控制)，8腳(W_CLK：字輸入時鐘端)，和22腳(RESTET：主復位端)分別由AT89S52單片機的三個I／O口P2．1，P2．0和P2．7控制，以更新AD8951的頻率信號，字輸入時鐘信號和主復位信號，電路連接如圖1所示。
    40位頻率／相位控制字是通過AD9851的8位數(shù)據(jù)輸入端(D0～D7)與AT89S52的P0口的8個引腳(P0．0～P0．7)連接，由AT89S52經過P0口分5次傳送。
    數(shù)據(jù)傳送過程如下：AD9851需要的40位頻率／相位控制字(W0，W1，W2，W3，W4)首先預存儲在AT89S52內部指定的5個8位存儲器中。
    (1)將AT89S52的P2．1，P2．0和P2．7全部置零，準備傳送數(shù)據(jù)。AD9851的22腳(RESTET：主復位端)為高電平有效，當其為高電平時會將AD9851寄存器的所有數(shù)據(jù)清零。
    (2)AD9851把W0數(shù)據(jù)傳送到P0口，使AD9851的8個數(shù)據(jù)輸入端(D0～D7)的數(shù)值賦為W0。
    (3)然后，將單片機的P2．0置為高電平“1”，再將其置“0”，經過AD9851的字輸入時鐘脈沖W_CLK，W0的數(shù)值就進入了AD9851的40位數(shù)據(jù)輸入寄存器。
    (4)AD9851把W1數(shù)據(jù)傳送到P0口，將單片機的P2．0置為高電平“1”，再將其置“0”，經過AD9851的字輸入時鐘脈沖W_CLK，W0的數(shù)值就進入了AD9851的40位數(shù)據(jù)輸入寄存器。如此5次之后，W0～W4五組數(shù)據(jù)就全部傳送到AD9851的數(shù)據(jù)輸入寄存器之中。
    (5)再將單片機的P2．1置為高電平“1”，使得AD9851的頻率更新控制端(FQ_UD)經過頻率更新控制信號脈沖，W0～W4共五組數(shù)據(jù)由AD9851的數(shù)據(jù)輸入寄存器輸入到AD9851的頻率／相位寄存器，刷新頻率／相位寄存器中的原有數(shù)值。由此，AD9851的21腳(IOUT端)就輸出由W0～W4決定的一定頻率和相位的正弦波。
2．2 鍵盤控制電路
    鍵盤是人工干預單片機進行控制的重要手段，可以實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令、切換功能等。鍵盤可分為獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤，獨立式鍵盤結構簡單，各個鍵彼此獨立，每個按鍵與一根數(shù)據(jù)輸入線相連。該結構簡單，使用方便，但是，隨著按鍵數(shù)量的增加所占用的I／O口線也同時增加。
2．3 顯示電路
    鍵盤和LED(Light Emitting Diode)顯示是單片機應用系統(tǒng)實現(xiàn)人機對話的基本方式。頻率顯示電路主要由移位寄存器74HC164、數(shù)碼管以及發(fā)光二極管組成，根據(jù)數(shù)碼管驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I／O端口多。實際應用時必須增加譯碼驅動器進行驅動，增加了硬件電路的復雜性。動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I／O端口，而且功耗更低。
    由于編程簡單，且I／O口可以滿足需要，本設計選用靜態(tài)顯示方式。在靜態(tài)的顯示方式下，每位數(shù)碼管的a～h端與一個8位的I／O口相連。當要在某一個數(shù)碼管上顯示字符時，只要從對應的I／O口輸出并鎖存其顯示代碼即可。
    AD9851輸出的正弦波最大頻率為70 MHz，分辨率為0．04 Hz，所以本設計選擇6個數(shù)碼管顯示，同時選擇6個移位寄存器74HC164。74HC1 64是8位串行輸入并行輸出移位寄存器，每接一片74HC164可以擴展一個8位并行輸出口，作為LED顯示器的8根段選線。顯示電路因由6個數(shù)碼管組成，因此有6個74HC164級聯(lián)在一起，前一級74HC164的QH端同時作為下一級74HC164的串行數(shù)據(jù)輸入端。最左邊的74HC164的數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)是由AT89S52的P3．0腳模擬串行輸入數(shù)據(jù)，所有的74HC164的同步時鐘輸入端(Clock)連接在一起，由單片機的P3．1腳模擬時鐘輸入。
    但是如果只有6個數(shù)碼管顯示是不夠的，因此，加入3個發(fā)光二極管，把輸出頻率數(shù)值分為Hz，kHz，MHz三個檔。3個發(fā)光二極管分別經過200 Ω的電阻由單片機的P3．4，P3．5，P3．6控制。例如，當輸出頻率應以kHz為單位時，“kHz”發(fā)光二極管亮，則數(shù)碼管顯示的頻率數(shù)值是以kHz為單位的，這樣就能精確顯示0～70 MHz的頻率范圍。
2．4 AT89S52和AD9851最小應用系統(tǒng)設計
    單片機最小應用系統(tǒng)是指沒有外圍器件及外設接口擴展的單片機系統(tǒng)。它是單片機應用系統(tǒng)的設計基礎，包括最小系統(tǒng)結構選擇、時鐘系統(tǒng)設計和復位系統(tǒng)設計。通常情況下，單片機最小應用系統(tǒng)分三種結構：
    (1)總線型總線應用的最小系統(tǒng)結構，該結構由總線型單片機、復位電路、時鐘電路、I／O口及并行擴展總線組成。
    (2)總線型非總線應用的最小系統(tǒng)結構，是只有單片機、復位電路構成的最簡單的電路，并行總線不用于外圍擴展；可作為應用系統(tǒng)的I／O口使用。
    (3)非總線型單片機的最小系統(tǒng)結構。本設計中的電路連接圖(圖1)屬于總線型非總線應用的最小系統(tǒng)結構。
    最小應用系統(tǒng)設計中單片機的選擇一般遵循以下原則：
    (1)所選的單片機應最大程度的滿足構成單片機最小應用系統(tǒng)的要求，即性能／配置比約為1。
    (2)根據(jù)產品要求，優(yōu)先選擇專業(yè)型單片機。最小系統(tǒng)的結構與所選的單片機型號有關。
2．4．1 AT89S52單片機的時鐘系統(tǒng)設計
    AT89S52的振蕩器有兩種組成方式，即片內振蕩器和片外振蕩器。本設計選擇片內振蕩器的組成方式。
2．4．2 AT89S52單片機的復位系統(tǒng)設計
    復位即是在復位端加不小于指定寬度的低電平(低電平復位)或高電平(高電平復位)信號使單片機的硬件處于初始狀態(tài)。單片機復位有低電平復位和高電平復位兩種，電平復位引腳定義為RST或RESET。
    單片機的復位通常有上電復位，信號復位和運行監(jiān)控復位三種方式。本電路設計采用按鍵電平復位方式，實際上屬于上電復位和按鍵手動復位形式。
2．4．3 AD8951應用設計
    AD9851可以產生一個頻譜純正，頻率和相位均可編程控制且穩(wěn)定度很好的模擬正弦波，AD9851的應用設計圖如圖2所示。在電路中，40位的頻率／相位控制字由AT89S52的P0口輸入AD9851的數(shù)據(jù)輸入端(D0～D7)，采用并行方式傳送數(shù)據(jù)。在AD9851中，為了避免要求高速參考時鐘振蕩器，在AD9851的內部有一個6倍頻參考時鐘乘法器，這就減少了由于外部頻率源過高而產生的相位噪聲，外部只需30 MHz的有源振蕩器。AD9851內部的高速比較器可接收DAC外部的低通濾波器的輸出，產生一個低抖動輸出脈沖，這個脈沖的頻率和相位可以通過程序來進行調解。

3 DDS信號發(fā)生器軟件設計
3．1 總體流程圖
    總體流程圖如圖3所示。

3．2 部分模塊子程序設計
    數(shù)據(jù)傳送控制電路的程序設計：
   
   
4 結論
    在現(xiàn)代科研，教學實驗，通信系統(tǒng)以及各種電子測量系統(tǒng)中，具有高精度，頻率可調，高穩(wěn)定度，頻率輸出范圍大的信號源是非常重要的。本文基于DDS技術，選擇了Analog Devices公司的高度集成芯片AD9851，采用AT89S52單片機作為控制，以此為基礎，分別進行了系統(tǒng)的硬件部分(包括數(shù)據(jù)傳送電路，鍵盤控制電路，頻率顯示電路和最小應用系統(tǒng)設計)和基于C語言的軟件設計，電路輸出波形具有高穩(wěn)定度，高精度，高分辨率，可靠性強，頻率輸出范圍大且可調，相位連續(xù)等優(yōu)點。