DDS芯片AD9850的工作原理及其與單片機的接口分析

　　DDS是直接數字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫(xiě)。與傳統的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現設備全數字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

　　隨著(zhù)數字技術(shù)的飛速發(fā)展，用數字控制方法從一個(gè)參考頻率源產(chǎn)生多種頻率的技術(shù)，即直接數字頻率合成（DDS）技術(shù)異軍突起。美國AD公司推出的高集成度頻率合成器AD9850便是采用DDS技術(shù)的典型產(chǎn)品之一。

　　AD9850采用先地蝗CMOS工藝，其功耗在3.3V供電時(shí)僅為155mW，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的引腳排列如圖1所示，圖2為其組成框圖。圖2中層虛線(xiàn)內是一個(gè)完整的可編程DDS系統，外層虛線(xiàn)內包含了AD9850的主要組成部分。

　　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。一塊DDS芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器三個(gè)部分（如Q2220）。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶(hù)輸入的頻率控制碼；而相位累加器根據dds頻率控制碼在每個(gè)時(shí)鐘周期內進(jìn)行相位累加，得到一個(gè)相位值；正弦計算器則對該相位值計算數字化正弦波幅度（芯片一般通過(guò)查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數字化的正弦波，因此還需經(jīng)過(guò)高速D/A轉換器和低通濾波器才能得到一個(gè)可用的模擬頻率信號。

　　相位寄存器每過(guò)2N/M個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相位地正弦查詢(xún)表每消費品一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè)DDS系統輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波周期To=Tc2N/M，頻率fout=Mfc/2N，Tc、fc分別為外部參考時(shí)鐘的周期和頻率。

　　AD9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查詢(xún)表，查詢(xún)表的輸出再被截斷成10位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個(gè)互補的電流。DAC滿(mǎn)量程輸出電流通過(guò)一個(gè)外接電阻RSET調節，調節關(guān)系為ISET=32（1.148V/RSET），RSET的典型值是3.9kΩ。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到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。其系統功能如圖3所示。

　　AD9850在接上精密時(shí)鐘源和寫(xiě)入頻率相位控制字之間后就可產(chǎn)生一個(gè)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)內部的高速比較器轉換為方波輸出。在125MHz的時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出頻率分辨率達0.0291Hz；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(jìn)行調整。

　　2 AD9850的控制字與控制時(shí)序

　　AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制。1位用于電源休眠（Power down）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過(guò)并行方式或串行方式輸入到AD9850，圖4是控制字并行輸入的控制時(shí)序圖，在并行裝入方式中，通過(guò)8位總線(xiàn)A0…D7將可數據輸入到寄存器，在重復5次之后再在FQ-UD上升沿把40位數據從輸入寄存器裝入到頻率/相位數據寄存器（更新DDS輸出頻率和相位），同時(shí)把地址指針復位到第一個(gè)輸入寄存器。在串行輸入方式，W-CLK上升沿把25引腳的一位數據串行移入，當移動(dòng)40位后，用一個(gè)FQ-UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。

　　AD9850的復位（RESET）信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個(gè)參考時(shí)鐘周期。AD9850的參考時(shí)鐘頻率一般遠高于單片機的時(shí)鐘頻率，因此AD9850的復位（RESET）端可與單片機的復位端直接相連。圖5是相應的控制字串行輸入的控制時(shí)序圖。

　　值得一提的是：用于選擇工作方式的兩個(gè)控制位，無(wú)論并行還是串行最好都寫(xiě)成00，并行時(shí)的10、01和串行時(shí)的10、01、11都是工廠(chǎng)測試用的保留控制字，不慎使用可能導致難以預料的后果。

　　3 單片機與AD9850的接口

　　AD9850有兩種與微機并行打印口相連的評估版，并配有Windows下運行的軟件，可以作為應用參考，但運用單片機實(shí)現對DDS的控制與微機實(shí)現的控制相比，具有編程控制簡(jiǎn)便、接口簡(jiǎn)單、成本低，容易實(shí)現系統小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此普遍采用MCS51單片機作為控制核心來(lái)向AD9850發(fā)送控制字。

　　單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術(shù)把具有數據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時(shí)器/計時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅動(dòng)電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個(gè)小而完善的計算機系統。單片微型計算機簡(jiǎn)稱(chēng)單片機，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的縮寫(xiě)MCU表示單片機，它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內僅有CPU的專(zhuān)用處理器發(fā)展而來(lái)。最早的設計理念是通過(guò)將大量外圍設備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計算機系統更小，更容易集成進(jìn)復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專(zhuān)用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。

　　3.1 I/O方式并行接口

　　I/O方式的并行接口電路比較簡(jiǎn)單，但占用單片機資源相對較多，圖8是I/O方式并行接口的電路圖，AD9850的數據線(xiàn)D0～D7與P1口相連，FQ-UD和W-CLK分別與P3.0（10引腳）和P3.1（11引腳）相連，所有的時(shí)序關(guān)系均可通過(guò)軟件控制實(shí)現。

　　將DDS控制字從高至低存放于30H至34H中，發(fā)送控制字的程序清單如下：

　　在程序中，每將一字節的數據送到P1口后，必須將P3.1（W-CLK）置高。在其上升沿，AD9850接收到P1口相連的數據線(xiàn)上的數據，然后將P3.1置低，并準備下一字節的發(fā)送，連續發(fā)送5個(gè)字節后，須將P3.0（FQ-UD）再次置高，以使AD9850根據則輸入的控制字更改頻率和相位輸出，隨后再置P3.0為低，準備下一組發(fā)送。單片機的P3.0、P3.1引腳為串行口，當被占用時(shí)，W-CLK和FQ-UD引腳也可與其它I/O腳相連，這時(shí)需要修改相應的發(fā)送程序。

　　3.2 總線(xiàn)方式并行接口

　　總線(xiàn)方式并行接口占用的單片機資源較少，在這種方式下，AD9850僅作為一擴展芯片而占用RAM的一段地址，必須時(shí)也可以只占用一個(gè)地址。圖7是總線(xiàn)方式并行接口的電路原理圖。同樣將DDS控制字從高至低存放于30H至34H中，發(fā)送控制字的程序清單如下：

　　AD9850的W-CLK和FQ-UD信號都是上升沿有效，用MOVX @DPTR，A指令向AD9850傳送控制字時(shí)，由74F138將高八位地址的低三位譯碼，其輸出經(jīng)反相并與反相后的信號相與得到一上升沿送至AD9850的W-CLK腳，此時(shí)已送到總線(xiàn)上的數據將被AD9850接收，連續五次將40位的控制字全部發(fā)送以后，用MOVA A，@DPTR指令產(chǎn)生FQ-UD信號，使AD9850更改輸出頻率和相位，此時(shí)讀入到單片機內的數據實(shí)際上無(wú)任何意義。圖7中AD9850的地址為0700H。

　　上述兩種接口方式經(jīng)實(shí)際應用證明：工作可靠，效果良好。單片機與AD9850的串行接口可參照有關(guān)資料進(jìn)行設計。上述接口電路和程序也適用于與AD9850腳對腳兼容的AD9851，值得注意的是：AD9851的控制字與AD9850控制遼中別位的定義稍有區別，編程時(shí)應予以注意。