基于AD9850多功能信號源的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：設(shè)計了一個以AT89S52為核心控制器件，直接控制兩片DDS芯片AD9850，通過并行控制方式實現(xiàn)的正弦信號發(fā)生器，并且利用差動放大芯片AD830進行正弦信號幅值調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)具有頻率、相位可變，幅值可調(diào)，并且能夠輸出穩(wěn)定的相位差和振幅調(diào)制的功能。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測量技術(shù)的進步，普通的信號發(fā)生器已無法滿足目前日益發(fā)展的電子技術(shù)領(lǐng)域的生產(chǎn)調(diào)試需要。而DDS技術(shù)是一種新興的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續(xù)、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數(shù)字化易于集成、體積小、重量輕等優(yōu)點，因而在雷達及通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 DDS的工作原理

AD9850主要由DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(DAC)和高速比較器三部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。允許工作的最高時鐘為125 MHz，其原理框圖如圖1所示。

圖1是AD9850的基本原理圖，它有40位控制字，其中有32位的頻率控制字和5位相位控制字，分別用來控制DDS產(chǎn)生的正弦波的頻率和相位。其40位控制字功能描述表如表1所示。

正弦波信號輸出頻率(fout)、參考時鐘頻率(fCLKIN)和頻率控制字(M)之間的轉(zhuǎn)換公式為：

AD9850在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后就可產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125 MHz的時鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的出頻率分辨率達0.0291 Hz;并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或這些值的組合進行調(diào)整。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

本文采用了AT89S52型單片機作為核心控制器件，將模擬電源和數(shù)字電源分開，分別對數(shù)字部分AD9850和模擬部分AD830供電。單片機對兩片AD9850分時控制，使用數(shù)控方式對AD9850寫入相位控制字和頻率控制字，使之輸出所需要的相位和頻率。再將輸出的兩路互補電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入到差動放大芯片AD830中，不僅可以去噪使波形分辨率更高，而且，可以對輸出波形的幅值進行調(diào)節(jié)，使之更方便應(yīng)用。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

2.1 DDS信號產(chǎn)生電路

單片機通過控制芯片上的W_CLK(word load clock)來實現(xiàn)對兩片AD9850分時控制，在實現(xiàn)方法上既可以通過跳線方式將兩片AD9850的W_CLK分別接到單片機I/O口控制，也可以利用總線方式控制。對于其中一片DDS而言，可以通過軟件編程使其實現(xiàn)掃頻、跳頻等功能，也可以通過按鍵、串口等外圍控制來對輸出波形頻率實現(xiàn)控制。對于兩片AD9850同時使用，我們主要是要得到兩個頻率相同，但存在一個穩(wěn)定的相位差的信號源，能夠很好地運用到以后的工程當(dāng)中。用單片機來實現(xiàn)，這并不是很難，只需要在單片機程序中寫入兩片DDS芯片中的關(guān)鍵字中相位控制字不同，頻率控制字相同即可達到這樣的效果。電路原理圖如圖3所示。

當(dāng)RESET所接電阻為3.9 kΩ時，AD9850最大只能輸出10 mA的電流信號，在實際應(yīng)用中顯然受到限制，轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出并且幅值可調(diào)可以在工程中應(yīng)用更加廣泛。電路中R2、R3、R13、R14就是下拉一電阻接地使電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

2.2 幅度調(diào)節(jié)電路

實驗中選用了差動放大芯片AD830，它的共模電壓范圍很寬，-12 V～+12.8 V，85 MHz的單位增益帶寬，而且它的最大放大倍數(shù)可能達到100。AD9850與AD830的連接圖如圖4所示。

由于AD9850輸出的是電流信號，而AD830輸入的是電壓信號，所以AD9850輸出需要連接一個電阻接地，使之變成電壓信號，本圖中選用的是100 Ω的電阻，這樣輸出為幅值為1 V的電壓信號。同時，AD9850還輸出一個互補信號，將輸出信號和輸出互補信號連接到AD830的X1和X2端，輸出電壓為：

Vout=(V1-V2)(1+R10/R7)

R10為10 k滑動電阻器，這樣就可以對幅值進行調(diào)節(jié)。本實驗中采用±5 V電源供電，這樣輸出波形電壓在3.5 V左右波形較好，再高會溢出，導(dǎo)致波形失真。

3 實驗結(jié)果

對系統(tǒng)的軟硬件都調(diào)試完之后，給系統(tǒng)上電以后，經(jīng)過示波器就可以測得輸出的正弦波形信號，但是DDS有一個明顯的缺點，最大輸出頻率只能到fCLKIN/2。但本實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸出頻率超出fCLKIN/2時，信號波形仍然可以輸出，只是信號是通過幅度調(diào)制的形式輸出。 fCLKIN/2信號作為載波信號，溢出fCLKIN/2的部分作為調(diào)制信號。如圖5所示。

對于某一單一信號而言，可以通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)得到所需相位和頻率。同時，通過系統(tǒng)編程，可以實現(xiàn)掃頻、調(diào)頻等功能。

調(diào)節(jié)滑動電阻器可以對輸出信號的幅值進行調(diào)節(jié)。當(dāng)寫入兩片DDS中的頻率字相同，相位字有一定的相位差時，通過示波器就可以測得兩路有固定相位差的信號源。

4 結(jié)束語

通過對AD9850的實驗測試證明，本系統(tǒng)采用DDS芯片完全可以實現(xiàn)頻率、相位可變，幅值可調(diào)，并且能夠輸出穩(wěn)定的相位差和振幅調(diào)制的功能。而且AD9850工作可靠，對參考時鐘波形要求不高，輸出信號穩(wěn)定，信噪比高。此信號源分辨率高、波形失真小、全數(shù)控型函數(shù)信號發(fā)生器，具有一定的實用開發(fā)價值。