基于單片機和DDS的高精度頻率信號實(shí)現

關(guān)鍵詞：DDS，AD9854，信號發(fā)生器

高精度的頻率信號源對科研、通信系統、電子對抗以及各種電子測量技術(shù)十分重要。目前，國內低頻信號合成器通常使用多個(gè)分立的鎖相環(huán)元件，電路復雜、價(jià)格昂貴、精度低、易受外界環(huán)境影響，而且信號的建立時(shí)間長(cháng)而動(dòng)態(tài)范圍較小。九十年代迅速發(fā)展起來(lái)的直接數字合成技術(shù)（DDS）將先進(jìn)的數字處理技術(shù)與方法引入信號合成領(lǐng)域，優(yōu)越的性能和突出的特點(diǎn)使其成為現代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。DDS器件采用高速數字電路和高速D/A轉換技術(shù)，具備了頻率轉換時(shí)間短、頻率分辨率高、頻率穩定度高、輸出信號頻率和相位可快速程控切換等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現對信號的全數字式調制。

1 AD9854芯片介紹

AD9854是美國ADI公司最近推出的單片DDS芯片，簡(jiǎn)單結構框圖如圖1所示。它的主要特點(diǎn)為：內部高速、高性能的正交D/A轉換器和高速比較器實(shí)現數字合成的正交的I和Q路輸出。當輸入一準確的參考頻率，AD9854就產(chǎn)生一高穩定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號，作為本機振蕩器用于通信、雷達等方面。AD9854的DDS核具有48bit的頻率分辨率（1mHz步進(jìn)），相位截斷17bit保證了優(yōu)良的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)比（SFDR）指標。

AD9854采用了先進(jìn)的35微米CMOS技術(shù)，使它只需+3.3V的電源供應，它的電路工藝使同步正交信號輸出的頻率最高達150MHz，平均每秒產(chǎn)生100百萬(wàn)新頻率。正弦信號輸出經(jīng)過(guò)外部平滑濾波后，可以通過(guò)內部比較器轉化成方波，用于時(shí)鐘產(chǎn)生。在高速時(shí)鐘產(chǎn)生器的應用中，若12bit的“控制”DAC與內部的比較器相結合，能實(shí)現脈寬調制和靜態(tài)周期控制。兩個(gè)12bit的數字乘法器能實(shí)現數字幅度調制、波形成形和正交輸出的準確的幅度控制。AD9854中4～20整數倍頻器，能把外部輸入的低速時(shí)鐘轉變成內部高速時(shí)鐘（最高300MHz）。參考時(shí)鐘可以選擇單端輸入和差分輸入。

AD9854合成的信號頻率穩定度高，DDS是一個(gè)信號波形的合成過(guò)程，是以標準參考振蕩源的固定時(shí)鐘作取樣時(shí)鐘，對所需頻率的信號進(jìn)行相位取樣，合成信號的頻率不同，只反映了一個(gè)信號周期內的相位取樣的數量不同。合成信號的穩定度直接由參考源的相位噪聲決定，甚至還要低。合成信號的穩定度高，理論上可達STCLK/242Hz，這是傳統方法難以實(shí)現的。頻率變化速度快，在A(yíng)D9854中，由于無(wú)需相位反饋控制，因而頻率建立及切換快，并且與頻率分辨率、頻譜純度相互獨立。在芯片中，NCO的相位改變是線(xiàn)性過(guò)程，形成的信號具有良好的頻譜。此外，由于合成信號的頻率、相位、幅度均可由數字信號控制，所以可以通過(guò)預置相位累加器的初始值來(lái)精確控制合成信號的相位，非常容易實(shí)現靈活的高精度的數字調制，如AM、PSK、FSK、MSK等，而且容易實(shí)現高精度的正交調制。

2 用AD9854快速開(kāi)發(fā)頻率信號發(fā)生器的實(shí)例

下面給出一種用AD9854開(kāi)發(fā)高精度頻率信號發(fā)生器的簡(jiǎn)易方法，開(kāi)發(fā)者只需要熟悉MCS-51單片機編程即可。該系統具有開(kāi)發(fā)周期短，開(kāi)發(fā)成本低的特點(diǎn)，也可以作為探索AD9854功能的一種方法，它的電路原理圖見(jiàn)圖2。

系統主要由DDS芯片AD9854、單片機AT89C51、看門(mén)狗定時(shí)器X25045和LED顯示驅動(dòng)芯片MAX7219組成。在這個(gè)系統中提供了8位七段LED顯示器，其中前五位為輸出頻率值，顯示范圍為00.000～99.999MHz，后三位為幅度顯示位，顯示范圍為0～999，表示幅值從零幅度到滿(mǎn)幅度的變化。

對AD9854進(jìn)行初始化控制時(shí)，首先，主復位腳（71腳）必須置高10個(gè)系統周期以上，主復位的作用是初始化系統總線(xiàn)，置控制寄存器以缺省值。在系統中，用MCS-51系列單片機對AD9854進(jìn)行控制，軟件流程圖如圖3所示。實(shí)現并行寫(xiě)時(shí)序時(shí)序圖如圖4所示，可以使用以下語(yǔ)句：

MOV p0，#10h
MOV A，#1DH
ADD A，#40H
MOV P2，A
CLR WRITE
NOP
SETB WRITE

NOP

　

在這個(gè)系統中，有5個(gè)按鍵，分別完成光標（回車(chē)）、光標左移、光標右移、加1和減1的功能，變換后的值經(jīng)光標（回車(chē)）確認后，乞討變單片機內RAM地址區所對應的AD9854的頻率和幅度控制字，然后寫(xiě)入到AD9854緩存內。每一次上電時(shí)，單片機從看門(mén)狗的E2PROM中讀取上一次斷電時(shí)保存在里面的AD9854的控制參數，LED顯示器顯示與斷電前相同的頻率和幅度值，并完成對AD9854相同的初始化。

SN54LVTH16625是一個(gè)電平轉換芯片，它把單片機P0口和P2口輸出的5V電平轉換成3.3V電平，實(shí)現和AD9854的接口。由于A(yíng)T89C51的P0口內部沒(méi)有上拉電阻，在實(shí)際調試過(guò)程中，外接了8個(gè)4.7kΩ的上拉電阻，P0口和P2口本身都具有鎖存功能。

AD9854是一個(gè)高性能、多功能，但又使用簡(jiǎn)單的芯片，它只需寫(xiě)入少量的控制字，即可實(shí)現不同的功能。在編程調試的過(guò)程中，它的刷新時(shí)鐘值得重視，通過(guò)寫(xiě)端口寫(xiě)入AD9854的控制字暫時(shí)寄存在I/O緩沖寄存器中，需要一從低到高的時(shí)鐘信號由20腳從外部輸入，或者由內部32bit的刷新時(shí)鐘把I/O緩沖寄存器中的控制字傳送到DDS的內核。AD9854分為AST型和ASQ型，后者屬于耐熱型，內部倍頻后的時(shí)鐘可達300MHz，前者只能倍頻至200MHz。在圖2所示的系統中，提供給AD9854的參考時(shí)鐘為20MHz，在芯片內部進(jìn)行10倍頻，并且使用的是內部刷新時(shí)鐘，這時(shí)，UPDATE腳（20腳）是作為輸出腳，在主復位之后，寫(xiě)入的控制字還沒(méi)有送入DDS內核時(shí)，20腳輸出10倍于系統周期的時(shí)鐘信號，完成初始化之后，則輸出2倍于系統周期的時(shí)鐘，這也是判斷控制字是否送入AD9854內核的一個(gè)標志，在調試中要特別注意。在本例中，屏蔽了反SINC濾波模塊，因為它的功耗高達1W，需要給芯片提供良好的散熱條件。

輸出I或Q路信號，是經(jīng)AD9854內部12bitD/A轉換之后的模擬波形，但并非平滑的正弦波，需經(jīng)低通濾波器平滑后，即可得到預期的波形。把濾波后的I和Q通過(guò)42、43腳輸入，經(jīng)過(guò)高速比較器，即可得到方波信號，方波信號經(jīng)簡(jiǎn)單的變換，可得到三角波、鋸齒波等。

3 結束語(yǔ)

本文介紹的基于AD9854的高精度頻率信號發(fā)生器的設計方法設計的信號源，已經(jīng)用于科研項目中。它體積小、重量輕，而且在此基礎上，通過(guò)給AD9854提供數據源，簡(jiǎn)單地改變寫(xiě)入AD9854的控制字，可以實(shí)現AD9854所能提供的各種調制信號。把DDS技術(shù)與FPGA器件、計算機技術(shù)結合到一起，其操作更靈活，應用范圍更廣泛。由于市場(chǎng)上好幾個(gè)系列的FPGA器件都能在一定程度上具備動(dòng)態(tài)重構的能力，可以利用可視化編程工具Visual C++，實(shí)現并口數據位線(xiàn)給FPGA下載AD9854的控制程序，用FPGA器件實(shí)現AD9854的不同控制。實(shí)驗表明，上述方法都能夠達到AD9854給定的性能指標。AD9854作為一個(gè)性?xún)r(jià)比較高的DDS芯片，具有極廣闊的應用前景。