AD9850實(shí)現嵌入式信號源設計

引 言

　　信號源是現代電子系統的重要組成部分，在通信、測控、導航、雷達、醫療等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，而且信號源作為現代電子產(chǎn)品設計和生產(chǎn)中的重要工具，必須滿(mǎn)足高精度、高速度、高分辨率、頻率可調等要求。

該設計采用直接數字頻率合成(DDS)技術(shù)，使用DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機配合，可輸出精確控制的正弦波和方波信號。在控制流程中，通過(guò)4x 4矩陣鍵盤(pán)設定頻率值，MSP430為AD9850計算頻率控制字，并且將頻率控制字通過(guò)串行方式寫(xiě)入其中，結合鍵盤(pán)上步進(jìn)調節增量“1 Hz”，“10 Hz”，“100 Hz”鍵，使得頻率可以精確到步長(cháng)為1 Hz的調節;產(chǎn)生正弦波時(shí)，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除信號的高頻分量，通過(guò)增益可調的寬帶放大器放大輸出所需信號。如果接到AD9850內部的高速比較器上，即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波，系統通過(guò)字符型液晶屏1602顯示設定頻率和其他信息。實(shí)驗結果顯示，輸出信號頻率范圍在1 Hz～10 MHz，且無(wú)明顯失真;輸出信號頻率實(shí)現1 Hz，10 Hz，100 Hz三級步進(jìn)調節，頻率精度0.01 Hz，頻率轉換速度1 ms，輸出幅度范圍1～10 V。

該設計的創(chuàng )新點(diǎn)在于：將DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機結合，提出了具有較高性?xún)r(jià)比和集成度、低功耗的嵌入式信號源設計方案;并且AD9850與MSP430F149采用串行連接方式，節省單片機的I/O資源，便于系統的功能擴展和產(chǎn)品升級。該信號源具有精度高，頻率范圍寬，頻率輸出穩定，體積小，功耗低，控制靈活方便的特點(diǎn)，可廣泛應用于日常教學(xué)和科研工作中，如果再經(jīng)過(guò)結構優(yōu)化，將具有良好的市場(chǎng)前景。

　　1 系統設計

　　1.1 DDS技術(shù)原理與結構

　　DDS技術(shù)是一種用數字控制信號的相位增量技術(shù)，具有頻率分辨率高，穩定性好，可靈活產(chǎn)生多種信號的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)DDS信號發(fā)生器由相位累加器、波形數ROM表、D/A轉換器以及模擬低通濾波器LPF組成，原理框圖如圖1所示。DDS技術(shù)的核心是相位累加器。相位累加器在穩定時(shí)鐘信號的控制下產(chǎn)生讀取數據的地址值，隨后通過(guò)查表變換，地址值被轉化為信號波形的數字幅度序列，再由數/模變換器(D/A)將代表波形幅度的數字序列轉化為模擬電壓;最后經(jīng)由低通濾波器將D/A輸出的階梯狀波形平滑為所需的連續波形。DDS信號發(fā)生器通過(guò)改變相位增量寄存器的值△phase(每個(gè)時(shí)鐘周期的度數)來(lái)改變輸出頻率。每當N位全加器的輸出鎖存器接收到一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，鎖存在相位增量寄存器中的頻率控制字就與N位全加器的輸出相加。在相位累加器的輸出被鎖存后，它就作為波形存儲器的一個(gè)尋址地址，該地址對應波形存儲器中的內容就是一個(gè)波形合成點(diǎn)的幅度值，然后經(jīng)D/A轉換變成模擬值輸出。當下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字，使波形存儲器的地址處于所合成波形的下一個(gè)幅值點(diǎn)上。最終，相位累加器檢索到足夠的點(diǎn)就構成了整個(gè)波形。合成信號的波形取決于ROM表中的幅度序列，通過(guò)修改數據可以產(chǎn)生任意波形，如果要產(chǎn)生多種波形，只需把所需的多種波形數據存放到波形ROM表中。

　　DDS系統輸出正弦波的頻率計算公式為：

　　式中：fo為輸出正弦波的頻率;fo為系統的時(shí)鐘頻率;FSW為頻率控制字;N為相位累加器的字長(cháng)，頻率控制字與輸出頻率成正比。由取樣定理，所產(chǎn)生的信號頻率能超過(guò)時(shí)鐘頻率的50 %，在實(shí)際應用中，為了保證信號的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時(shí)鐘頻率的33 %，以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內。

　　DDS的頻率分辨率定義為：

　　由于基準時(shí)鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數決定了頻率分辨率;位數越多，分辨率越高。

　　該信號源采用DDS專(zhuān)用芯片AD9850產(chǎn)生正弦信號。AD9850采用CMOS工藝，其功耗在3.3 V供電時(shí)為155 mW，擴展工業(yè)級溫度范圍為-40～+80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式，AD9850內含可編程DDS系統和高速比較器，能實(shí)現全數字編程控制的頻率合成。AD9850支持的時(shí)鐘輸入最高為125 MHz，頻率控制字的位數為32位。由式(2)可以計算出在125 MHz時(shí)鐘輸入時(shí)分辨率為0.021 9 Hz，該設計中選用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式(2)計算得0.006 9 Hz。