基于A(yíng)D9850的多功能信號源設計

摘要 ：AD9850以芯片為多功能信號源頻率合成核心，以單片機(89C52)為控制和數據處理核心，實(shí)現了正弦波、方波及AM、FM、ASK、FSK、PSK 等調制波形的產(chǎn)生和輸出。結合鍵盤(pán)和顯示部分，實(shí)現了任意頻率值的選擇和顯示，構成了一個(gè)完整實(shí)用的信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器可在10 Hz～40 MHz范圍內實(shí)現任意頻率的輸出，步進(jìn)值和輸出幅值可調。經(jīng)過(guò)對系統的最終測試與實(shí)驗數據分析表明，該系統具有穩定性好、精度高、且范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

直接數字合成技術(shù)(Direct Digital Synthesizer，DDS)是由一個(gè)參考頻率源產(chǎn)生多種頻率的技術(shù)，其采用數字信號控制的相位增量，具有頻率轉換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續、可編程、全數字化易于集成等優(yōu)點(diǎn)。因此，得到了廣泛的應用。本文提出了以直接頻率合成芯片AD9850為核心的多功能信號源的設計方案，給出了實(shí)現多種信號生成的具體方法。

1 直接數字頻率合成原理及構成

AD9850是美國AD公司推出的高集成度頻率合成器，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?？删幊?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/DDS">DDS系統的核心是相位累加器，其由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成。每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，加法器將頻率控制數據與累加寄存器輸出的累加相位數據相加，將相加后的結果送至累加寄存器的數據輸入端，累加寄存器將加法器在上一個(gè)時(shí)鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數據反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個(gè)時(shí)鐘的作用下繼續與頻率控制數據相加。這樣，相位累加器在參考時(shí)鐘的作用下進(jìn)行線(xiàn)性相位累加，當相位累加器累加滿(mǎn)量時(shí)就會(huì )產(chǎn)生一次溢出，完成一個(gè)周期性的動(dòng)作，這個(gè)周期就是DDS合成信號的一個(gè)頻率周期，累加器的溢出頻率就是輸出的信號頻率。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后，可輸入到正弦查詢(xún)表地址上。正弦查詢(xún)表包含一個(gè)正弦波周期的數字幅度信息，每個(gè)地址對應正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢(xún)表將輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動(dòng)DAC以輸出模式量，實(shí)現正弦信號的合成。

相位寄存器每經(jīng)個(gè)fc時(shí)鐘周期后回到初始狀態(tài)，相應地，正弦查找表經(jīng)過(guò)一個(gè)循環(huán)回到初始位置，DDS輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波周期為

頻率控制字與輸出信號頻率和參考時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系為

M=(fout·2N)/fc， 0≤M≤2N-1 (3)

其中，N是相位累加器的字長(cháng);M是頻率控制字的字長(cháng);fc是晶振頻率;fout是輸出頻率，從式(1)～式(3)可看出頻率控制字與輸出信號頻率成正比關(guān)系。相位累加器輸出位并不全部加到查詢(xún)表，而要截斷。相位截斷減小了查詢(xún)表長(cháng)度，但并不影響頻率分辨率，對最終輸出僅增加一個(gè)較小的相位噪聲。DAC分辨率一般比查詢(xún)表長(cháng)度小2～4位。通常用頻率增量來(lái)表示頻率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率為

接上精密時(shí)鐘源并寫(xiě)入控制字后，AD9850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。如果經(jīng)過(guò)內部高速比較器轉換后則可得到方波輸出。一個(gè)基本的DDS結構，主要由參考時(shí)鐘、相位累加器、相位調制器、ROM查找表、D/A轉換器(DAC)和低通濾波器(LPF)構成，如圖1所示。

2 多功能信號源的總體設計

2.1 系統總體設計框架

為實(shí)現多功能常用信號源的設計要求，選用AD9850為頻率合成核心芯片，AD9850是一個(gè)運用先進(jìn)的DDS技術(shù)，并結合集成在一片芯片內的高速、高性能的D/A轉換電路和比較器構成一個(gè)完全數控的可編程頻率合成器，且具有時(shí)鐘產(chǎn)生功能的高度集成芯片。當有一個(gè)精確時(shí)鐘源作為參考頻率源時(shí)，AD9850 能產(chǎn)生一個(gè)頻譜很純的頻率或相位可編程的模擬正弦波輸出。對于125 MHz參考時(shí)鐘，AD9850能產(chǎn)生一個(gè)32位頻率調整控制字，其導致一個(gè)0.029 1 Hz的輸出調諧頻率分辨率。另外，AD9850采用先進(jìn)的CMOS工藝，在3.3 V供電時(shí)其功耗僅為155mW。

將單片機實(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)，因此采用STC89C52單片機作為系統控制芯片，主要功能是完成對外部信號的采樣、運算、頻率控制，鍵盤(pán)數據接收、數據傳輸等;矩陣鍵盤(pán)用于進(jìn)行正弦波、方波頻率參數設定;各個(gè)信號的輸出選擇，頻偏、調制度的設定以及其他功能設置;按照指標要求可完成正弦波、方波、FM波、AM波、PM波的輸出。系統總體框架如圖2所示。

2.2 單片機與DDS芯片的連接方式

AD9850的40位頻率/相位控制字可通過(guò)并行或串行兩種方式送入器件。選用并行傳輸方式，充分發(fā)揮芯片AD9850的高速性能。在并行方式下連續輸入 5次數據，每次輸入8位(1 Byte)，將40位頻率/相位控制字送入器件。系統中，單片機通過(guò)數據鎖存器和控制鎖存器來(lái)實(shí)現對AD9850模塊的控制，數據鎖存器打開(kāi)時(shí)，控制鎖存器關(guān)閉，此時(shí)傳輸數據;控制鎖存器打開(kāi)時(shí)，數據鎖存器關(guān)閉，此時(shí)根據AD9850的時(shí)序對W_CLK、FQ_UD、RESET執行相應的操作。單片機 89C52控制AD9850工作連線(xiàn)圖，如圖3所示。

3 多功能信號源各個(gè)輸出信號實(shí)現

3.1 正弦波信號的實(shí)現

要得到所需要頻率的信號，關(guān)鍵是計算該信號所對應的40位控制字。AD9850中40位控制字其中相位控制占5位，所以相位控制位的精度為 360/25=11.25，根據實(shí)際需要設置不同的相位控制字，便可實(shí)現不同精度的相位控制，所以相位控制位可采用11.25、22.5、45，90、 180和其的倍數精度來(lái)設置，例如選用11.25°，用二進(jìn)制表示為00001，若相位控制為90°，則控制字為01000。40位控制字中頻率控制占 32位，頻率控制字M可根據需要輸出頻率值經(jīng)式(3)計算得出，再將所計算出的M通過(guò)單片機STC89C52并口寫(xiě)入芯片AD9850，AD9850根據控制字來(lái)設定相位累加器的步長(cháng)大小。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。將波形存儲器的輸出送到D/A轉換器，得到所需頻率的正弦波信號。

3.2 AM調制信號的實(shí)現

AM調制是調制信號控制高頻正弦載波的幅度按照調制信號的規律變化的過(guò)程。AM調制中，調制系數Ma是指調制信號與載波信號幅度比，可根據式(5)計算。A、B分別表示波形垂直方向上的最大和最小長(cháng)度

電路實(shí)現采用模擬乘法器集成芯片AD835，載波信號由AD9850模塊產(chǎn)生送給AD835的Y1端，調制信號由TLC7528構成D/A轉換電路產(chǎn)生送給AD835的X1端，從AD835的W端口輸出得到。

3.3 2ASK/2PSK信號的實(shí)現

2ASK實(shí)現很簡(jiǎn)單，通過(guò)改變電源控制字的0、1狀態(tài)實(shí)現，即調制信號為高電平時(shí)，W0為0x00;低電平時(shí)，W0信號為0x04。

2PSK調制是通過(guò)改變相位控制字實(shí)現的。W0的高5位是相位控制字，使W0的最高位(Phase-b4)為1，則相位為π，即調制信號為高電平時(shí)，W0為0x00;低電平時(shí)，W0為0x80。

2ASK調制和2PSK調制在T0中斷中實(shí)現。設定不同按鍵控制AD9850模塊輸出2ASK波、2PSK波和退出中斷。

3.4 FM信號的實(shí)現

FM調制是一種使載波頻率按照調制信號改變的調制方式。采用間接調頻法，先積分再調相實(shí)現調頻，其優(yōu)點(diǎn)是提高了中心頻率的穩定度。按照要求的頻偏值間接調頻公式為

fre+(table[i]/127-0.5)xfc (6)

其中，fre為載波信號頻率;fc為頻偏;table[i]是用于D/A轉換的64點(diǎn)電壓值中的一點(diǎn)。計算頻率值，再計算頻率控制字通過(guò)單片機并口送入AD9850實(shí)現對頻率的控制，即實(shí)現FM調制。

4 軟件設計

4.1 系統主程序

在系統設計過(guò)程中，對系統軟件采用模塊化設計方法。系統軟件由監控軟件、鍵盤(pán)和顯示管理模塊、各功能模塊和數據模塊構成。

系統初始化包括對各個(gè)芯片的初始化。對AD9850初始化是向AD9850寫(xiě)入設定的頻率/相位控制字，AD9850按設定狀態(tài)輸出所需頻率的波形，直到重新對這些控制位進(jìn)行設定。初始化后，LCD將顯示歡迎界面和系統初始狀態(tài)。鍵盤(pán)管理模塊主要是識別命令、解釋命令，并獲得完成該命令的相應模塊入口，引導進(jìn)入正常工作程序。系統軟件用C語(yǔ)言設計，相對于匯編語(yǔ)言，C語(yǔ)言對機器底層硬件操作較為方便，可讀性和可移植性較好。主程序流程圖如圖5所示。

4.2 AD9850子程序

AD9850的40位頻率/相位控制字，通過(guò)并行方式連續輸入5次，每次輸入8位，將40位頻率/相位控制字送入器件。在并行輸入方式下，單片機通過(guò)8位總線(xiàn)D0～D7將外部控制字裝載到AD9850的數據輸入寄存器，在WCLK的上升沿裝入第1 Byte，并將指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續5個(gè)WCLK的上升沿讀入5 Byte數據到輸入寄存器后，WCLK的邊沿就不再起作用。然后在FQ_UD上升沿到來(lái)時(shí)，將這40位數據從輸入寄存器裝載到頻率/相位寄存器。這時(shí)，DDS的輸出頻率更新一次，同時(shí)將地址指針復位到第一個(gè)輸入寄存器，以等待下一次的控制字輸入，其工作時(shí)序如圖6所示。

單片機通過(guò)控制“數據鎖存器”和“控制鎖存器”來(lái)實(shí)現對AD9850模塊的控制，數據鎖存器打開(kāi)時(shí)，控制鎖存器關(guān)閉，此時(shí)傳輸數據;控制鎖存器打開(kāi)時(shí)，數據鎖存器關(guān)閉，此時(shí)根據AD9850的時(shí)序對W_CLK、FQ_UD、RESET執行相應的操作。AD9850模塊的子程序流程圖如圖7所示。

5 系統測試

5.1 正弦波/方波信號指標測試

經(jīng)測試，系統可產(chǎn)生20 Hz～40 MHz的平滑正弦波，正弦波在20 Hz～40 MHz頻率范圍內的頻率誤差在±0.5%之內，輸出電壓最小能保持在0.3 V，最大能保持約在5 V，頻率最小步進(jìn)可達1 Hz，波形穩定，無(wú)失真。測試結果如圖8所示。

5.2 2ASK/2PSK測試

示波器觀(guān)察2PSK和2ASK波形，其中載波為固定頻率200 kHz，波形分別如圖10和圖11所示。

5.3 FM調制波指標測試

利用數字示波器測試FM性能，載波頻率為200 kHz，10 kHz/20 kHz二級調節的最大頻偏測試數據達到10 kHZ/20 kHz的頻偏，具體圖像如圖12和圖13所示。

5.4 AM調制波指標測試

示波器觀(guān)察AM信號。載波信號頻率為10 kHz，調制信號頻率為100 Hz。記錄每次已調信號的試驗結果，計算調制度。調制系數的測試及計算數據調幅波的調制度隨調制信號幅度變化線(xiàn)性較好，能夠實(shí)現10%～100%的調制度。圖14和圖15所示為載波頻率10 kHz，調制頻率100 Hz下的AM波，其中，圖14調制系數為95%，圖15調制系數為45%。

6 結束語(yǔ)

以芯片AD9850為頻率合成的核心，以單片機(89C52)為控制和數據處理核心，實(shí)現了正弦波、方波、調頻和調幅等常用波形的產(chǎn)生和輸出，結合鍵盤(pán)和顯示部分，實(shí)現了任意頻率值的選擇和顯示，構成了一個(gè)完整的實(shí)用的信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器能在10 Hz～20 MHz范圍內以任意頻率輸出，步進(jìn)值可調，最小步進(jìn)可達到1 Hz，幅度0.3～5 V;可在固定載波頻率下進(jìn)行數字鍵控，產(chǎn)生2ASK/2PSK信號;實(shí)現了頻偏為10 kHz/20 kHz的調頻波;采用AD835乘法器，實(shí)現常規雙邊帶調幅。經(jīng)系統測試和實(shí)驗數據的分析結果表明，該系統具有穩定性好、精度高、范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。