基于AD9850構(gòu)成的DDS正弦波信號發(fā)生器設(shè)計與實現(xiàn)

論文設(shè)計開發(fā)了基于AD9850構(gòu)成的DDS正弦波信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)，其頻率范圍為0~30MHz,根據(jù)軟件設(shè)計的總體構(gòu)想并結(jié)合硬件電路，給出了總體以及子模塊的流程圖，并用C語言編制相應(yīng)程序.系統(tǒng)調(diào)試和測試結(jié)果表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠產(chǎn)成正弦波形，信號的頻率.相位.幅度的調(diào)節(jié)精度和抗干擾性等技術(shù)性能指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計目標(biāo).

　　1.引言

　　隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字電路的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）具有頻率轉(zhuǎn)換速度快.頻率分辨率高.相位可控.頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點.頻率轉(zhuǎn)換速度快.頻率分辨率高的信號源在現(xiàn)代電子通訊.航空航天.自動控制等領(lǐng)域中是必不可少的，因此DDS信號源在上述領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用.

　　AD9850是ADI公司生產(chǎn)的低功耗直接數(shù)字頻率合成技術(shù)典型產(chǎn)品之一，AD9850具有頻率轉(zhuǎn)換速度快.頻率分辨率高.相位噪聲低.頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點.本論文設(shè)計的是以直接頻率合成（DDS）器件AD9850和MCS-51單片機(jī)為核心，配合必要的外圍接口器件，在單片機(jī)軟件控制下，能夠產(chǎn)生給定頻率和起始相位的附加調(diào)制信息的正弦波信號發(fā)生器.

　　2.AD9850的基本工作原理

　　2.1 AD9850的主要性能指標(biāo)

　?、僮畲笾С謺r鐘頻率為125MHz

　　②頻率分辨率達(dá)到0.029Hz

　?、壑С謨煞N供電電壓：+3.3V or +5V

　?、艿凸模? 8 0 m W @ 1 2 5 M H z （ + 5 V ）

　　155mW @ 110MHz（+3.3V）⑤頻率轉(zhuǎn)換時間：10個時鐘周期.比如當(dāng)fs=125MHz時，頻率轉(zhuǎn)換時間為：10×1/（125×106）≈0.1

　?、掭敵龅臒o雜散動態(tài)范圍S F D R大于50dB @ 40MHz

　　⑦具有相位可控

　?、嘀С植⒖诤痛谳斎肟刂平涌?/p>

　?、犷l率控制字采用32位二進(jìn)制碼

　　2.2 AD9850引腳說明

　　AD9850采用了先進(jìn)的CMOS工藝，采用28腳SSOP表面封裝形式，其管腳如圖1所示，引腳功能如表1.

　　2.3 AD9850內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　AD9850的芯片功能框圖如圖2所示.

　　AD9850芯片內(nèi)包括高速DDS.10位DAC.頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器.數(shù)據(jù)輸入寄存器.比較器等，在125MHz參考時鐘下，AD9850經(jīng)過高速的DDS核心芯片能產(chǎn)生一個32位頻率調(diào)整控制字可使AD9850的輸出頻率達(dá)0.0291Hz;并能提供了5bits的相位控制位，它能使輸出相位以180°.90°.45°.22.5°.11.25°或是它們?nèi)我饨M合的增量改變.AD9850的電路結(jié)構(gòu)允許產(chǎn)生頻率值是參考時鐘的一半的輸出，并且輸出的頻率能用數(shù)控方式以每秒產(chǎn)生23000000個新頻率的速度變化.AD9850芯片內(nèi)的比較器構(gòu)成能接收經(jīng)外部低通濾波后的DAC轉(zhuǎn)換輸出，可以產(chǎn)生一個低抖動的方波輸出的裝置，因此AD9850用作時鐘發(fā)生器十分方便.頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器.數(shù)據(jù)輸入寄存器在外部的頻率更新時鐘和字加載時鐘的控制下進(jìn)行頻率控制字的輸入和更新，使芯片輸出所要求的頻率和相位.

　　2.4 AD9850的工作原理

　　AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成.

　　可編程DDS系統(tǒng)由相位累加器和正弦查表組成，其相位累加器由一個加法器和一個N位的相位寄存器組成，N一般為24~32;實質(zhì)上是一個可變模的計數(shù)器，即DDS相位增量的個數(shù)在計數(shù)器收到每一個時鐘脈沖時被存儲起來，當(dāng)計數(shù)器溢出時，它就回到初態(tài)并使用相位累加器輸出到相鄰值.頻率控制字能設(shè)置計數(shù)器的模，它決定了相位增量的大小.相位增量在每個時鐘到來時便在相位累加器中相加，相位增量越大，則累加器溢出的速度越快，產(chǎn)生的輸出頻率越高.

　　A D 9 8 5 0 采用3 2 位的相位累加器，AD9850利用改進(jìn)的，獨有的算法，把14bits已截斷的相位累加器的輸出轉(zhuǎn)變成適當(dāng)?shù)挠嘞抑?，?jīng)片內(nèi)高速的10bit DAC轉(zhuǎn)換器，可得到模擬正弦波.這個獨特的算法使用一個簡化了的ROM表和DSP技術(shù)等功能，有助于縮小AD9850的體積和功耗.輸入.輸出.參考時鐘和頻率控制字的關(guān)系如下：

　　3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　系統(tǒng)以單片機(jī)8051為控制核心，通過對AD9805內(nèi)部的頻率控制字和相位控制字進(jìn)行軟件編程，然后通過外接低通濾波器達(dá)到所需性能指標(biāo)的正弦波信號.

　　系統(tǒng)分為2個模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)和DDS模塊.單片機(jī)最小系統(tǒng)包括8051單片機(jī).2*2中斷鍵盤矩陣.串口通訊.下載接口.

　　DDS模塊包括核心芯片AD9850和低通濾波器.系統(tǒng)總體框圖如圖3所示.

　　3.2 AD9850與單片機(jī)接口

　　AD9850與單片機(jī)接口電路，需要考慮以下幾點：

　?、貯D9850控制字寫入方式選擇.AD9850控制字的寫入方式有串行和并行兩種.并行寫入方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤欤軌蛱嵘麄€系統(tǒng)的處理速度，為了充分發(fā)揮芯片的高速性能，應(yīng)在單片機(jī)資源允許的情況下盡可能選擇并行方式，所以，本系統(tǒng)采用8051單片機(jī)作為控制核心，通過并行寫入控制字的方式控制AD9850芯片.如圖4所示，AD9850的數(shù)據(jù)線D0~D7與P1口相連.

　?、贔Q UD和W CLK與單片機(jī)連接.AD9850的FQ UD控制信號和W CLK控制信號與分別與8051單片機(jī)的P3.0（10引腳）和P3.1（11引腳）相連，所有的時序關(guān)系均可通過軟件控制實現(xiàn).

　　③ R E S E T 與單片機(jī)連接.A D 9 8 5 0 的晶體振蕩器采用1 0 0 M H z,A D 9 8 5 0的復(fù)位（RESET）信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期.由于單片機(jī)采用12MHz晶振時，它的高電平時間能夠滿足AD9850復(fù)位要求，故可將AD9850的復(fù)位端與單片機(jī)的復(fù)位端直接相連.

　　3.3 AD9850應(yīng)用時需要注意的事項

　?、貯D9850作為時鐘發(fā)生器使用時，要避免混疊或諧波信號落入有用輸出頻帶內(nèi)，并減少外部濾波器的要求，必須要使輸出頻率小于參考時鐘頻率的33%.

　　②AD9850參考時鐘頻率最低為1MHz,低于此頻率，系統(tǒng)自動進(jìn)入電源休眠方式；高于此頻率，系統(tǒng)恢復(fù)正常.

　?、塾≈凭€路板應(yīng)采用多層板，要有專門的電源層和接地層，而且不能有引起層面不連續(xù)的蝕刻導(dǎo)線條.

　?、苡≈凭€路板的頂層應(yīng)留有帶一定間隙的接地面，以便為表面安裝器件提供方便.

　?、萦≈凭€路板的AD9850器件下面不能走數(shù)字信號線，避免把噪聲耦合進(jìn)芯片；避免數(shù)字信號與模擬信號交叉，且它們在電路板相反兩側(cè)上的走線應(yīng)彼此垂直，以減小電路板的饋通影響.

　?、迺r鐘等快速開關(guān)信號應(yīng)利用數(shù)字地屏蔽起來，以免向電路板上的其它器件輻射噪聲，并且絕不應(yīng)靠近基準(zhǔn)輸入或位于封裝之下.

　?、咭紤]用良好的去耦電路，分別把高質(zhì)量的陶瓷去耦電容接到各自的接地引--去耦電容應(yīng)盡可能靠近器件.

　　⑧采用獨立的模擬電源和數(shù)字電源，AD9850電源線路應(yīng)采用盡可能寬的走線，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺噪聲影響.

　　4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

　　要實現(xiàn)對系統(tǒng)的軟件控制，合理安排程序流程尤為重要。系統(tǒng)程序流程圖見圖5.

　　從低到高的時鐘信號從外部輸入，或者由內(nèi)部32位的刷新時鐘把I/O緩沖寄存器中的控制字傳送到AD9850的DDS內(nèi)核，這樣就可以從寫端口寫入AD9850的控制字暫時寄存在I/O緩沖寄存器中；所以，程序設(shè)計中要特別注意AD9850的時序要求，正確送出邏輯控制字，注意其刷新時鐘。

　　4.2 鍵盤掃描及按鍵識別子程序

　　在本設(shè)計中，所設(shè)定的頻率和初始相位都是通過2×2鍵盤輸入的，因此要通過鍵盤掃描和按鍵識別程序?qū)⑤斎氲逆I值處理后送至AD9850.鍵盤的工作方式一般有循環(huán)查詢工作方式、定時中斷掃描工作方式和中斷工作方式。

　　為了提高CPU的工作效率，可以采用中斷的方法掃描鍵盤，即只有在鍵盤有鍵按下時，才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行該按鍵功能程序。如果無按鍵按下，單片機(jī)將不理睬鍵盤。子程序流程圖如圖6所示。

　　4.3 控制字寫入程序

　　并行控制寫入過程如下：FQ UD由高電平轉(zhuǎn)為低電平，單片機(jī)將數(shù)據(jù)W0輸出；之后，單片機(jī)控制W CLK由低電平轉(zhuǎn)為高電平，保持至少3.5ns后，再由高電平轉(zhuǎn)為低電平，此時寫完控制字W0;然后按照寫入W0過程，依次寫入W1、W2、W3、W4;最后，單片機(jī)控制FQ UD由低電平轉(zhuǎn)為高電平，完成40位數(shù)據(jù)寫入過程，同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器W0,為下次寫入頻率/相位控制字作好準(zhǔn)備?？刂谱謱懭肓鞒倘鐖D7所示。

　　并行控制字寫入子程序如下：

　　5.系統(tǒng)測試

　　系統(tǒng)功能的實現(xiàn)需要CPU與外圍電路的密切配合。為保證系統(tǒng)按照設(shè)計意圖正常工作，必須對硬件電路和程序代碼進(jìn)行仔細(xì)調(diào)試，因此系統(tǒng)的調(diào)試在設(shè)計中占據(jù)著重要的地位。

　　5.1 系統(tǒng)上電前的測試

　　在系統(tǒng)上電前，需要對硬件電路板進(jìn)行仔細(xì)測試，看電源和地之間是否短路，芯片各引腳之間是否短路，芯片各引腳是否與焊盤連接良好，是否有焊接錯誤。主要是采用兩種方法，其一就是利用顯微鏡對電路板的焊接情況進(jìn)行仔細(xì)檢查，看是否有短路，焊接是否可靠；其二就是利用數(shù)字萬用表對各引腳和測試點進(jìn)行檢查，保證電路上沒有短路。

　　5.2 電源、晶振的測試

　　電源電路、晶振電路和復(fù)位電路是保證整個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，雖然其調(diào)試相對比較簡單，但也應(yīng)首先保證他們的正常工作。單片機(jī)和AD9850的供電電源是5V.在接入外部電源前。首先要對外部輸入電壓進(jìn)行測量，用萬用表測得5v是否符合要求，經(jīng)測試，電壓值為5V,符合系統(tǒng)供電要求。然后用示波器對兩個電源進(jìn)行檢測，看其是否干凈，有沒有雜散，實測5V電壓均很穩(wěn)定。

　　晶振的調(diào)試就比較簡單，單片機(jī)使用的是12MHz的溫度補(bǔ)償晶振，用示波器檢測后，發(fā)現(xiàn)其工作正常。AD9850使用100MHz的溫度補(bǔ)償晶振，用示波器檢測后，發(fā)現(xiàn)其工作正。

　　5.3 正弦信號的產(chǎn)生

　　從鍵盤輸入正弦信號的頻率和初始相位值，通過單片機(jī)將輸入的頻率和相位值轉(zhuǎn)換為頻率/相位控制碼，AD9850選擇的是并行數(shù)據(jù)輸入模式，40位的數(shù)據(jù)控制字經(jīng)8位數(shù)總據(jù)線分5次重復(fù)輸入。W CLK端和FQUD經(jīng)過5次加載后，輸入了40位的數(shù)據(jù)控制字，W CLK端信號的上升沿將被忽略，數(shù)據(jù)將不再被加載，直到下一個復(fù)位信號或者下一個FQ UD端信號的上升沿到來為止。在FQUD端信號的上升沿將40位的控制字加載進(jìn)入相位累加器，并且將地址指針復(fù)位指向第一個數(shù)據(jù)輸入地址端。每傳輸一次8位的控制碼后，延時3.5ns,置單片機(jī)引腳P3.3為l,即產(chǎn)生一個有效的W CLK上升沿信號，將控制碼送入AD9850輸入數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，重復(fù)5次后，就可將40位的控制碼全部加載到AD9850的輸入數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，然后再延時lns,置單片機(jī)引腳P3.2為l,即產(chǎn)生一個有效的FQ UD上升沿信號，再延時Ins后，將40位的控制碼全部加載到AD9850中的DDS頻率合成部分中，經(jīng)過13至118個周期后，就可以得到所需要的信號了。圖8為1MHz的正弦信號，圖9為10MHz的正弦信號。

　　6.結(jié)論

　　本文根據(jù)現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展需要以及直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的特點，設(shè)計出了一套基于DDS的高精度信號源，該信號源能夠產(chǎn)生正弦波信號波形。經(jīng)過系統(tǒng)的軟件、硬件調(diào)試試驗，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠產(chǎn)成正弦波形，信號的頻率、相位、幅度的調(diào)節(jié)精度和抗干擾性等技術(shù)性能指標(biāo)基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。通過本文設(shè)計以及對DDS的研究表明，DDS技術(shù)可以應(yīng)用在高速寬帶頻率合成領(lǐng)域，特別是在對頻率切換速度、頻率分辨率及相噪、雜散要求較高的場合，DDS技術(shù)顯示了特殊的優(yōu)勢。本文只是DDS技術(shù)的初步研究，要達(dá)到性能完善，還有很多工作要做。比如電磁兼容的考慮、各種同步信號的設(shè)計以及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題等等。