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基于DDS芯片AD9851的精密跳频信号发生器 时间:2007-5-9作者:罗正宁、张斌、黄成甲、陈来源:摘 要：直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。而AD9851是美国模拟器件公司（ADI）最新推出的高品质、高集成度DDS芯片。本设计采用该DDS芯片作为核心元件， 以ATmage16单片机为主控器件，1602点阵式字符型液晶显示模块作为显示器，构成了一种精密的DDS信号发生器。文中详细介绍了DDS的基本工作原理以及该精密信号发生器的软、硬件设计方法，给出了具体的程序设计方案。设计实现的信号发生器，输出频率范围为060MHz、最小步进为1Hz、输出信号幅度大于0.8Vp-p、杂散小。关键词：直接数字频率合成（DDS）；AD9851；AVR；信号发生器；频率控制字The Design of Precision Signal Generator on the Base of DDS chip AD9851Abstract: Direct Digital Frequency Synthesis is a kind of new synthetic method,which is applied widly is the fields of communication,navigation,radar remote control,telemetering,electronic antagonism and modern instrument-making industry.AD9851 is a kind of chip with high suality and high integrated,which is popularized lately by ADI corporation.The precision signal generator,which can generate a export freguency up to 60 MHz,the minimum step is 1 Hz,the extent of export signal is more than 0.6 Vp-p and the minimum emission,base on the DDS chip as a core element,the ATmage16 Microcontroller as a main control element, LCD1602 Liguid Crystal Display module as a monitor.This paper introduces the working principle of DDS,the design method of the precision siganal generators software and hardware in details, and advances the specific design scenario of procedure as well. Keyword: DDS; AD9851; AVR; Signal generator; Frequency control word 1 前言信号源作为一种基本电子设备,无论是在教学、还是在科学技术研究中，都有着广泛的使用。随着科学技术的发展和测量技术的进步，对信号源的要求越来越高，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需要。怎样获得稳定、准确、连续可调甚至是跳频的信号输出，是设计信号发生器必须要考虑的问题，解决这一问题的一个较好的方法就是使用频率合成技术。频率合成一般有三种方法：直接模拟合成法、锁相环合成法和直接数字合成法。直接模拟合成法设备复杂、体积大、功耗大，且步进不易控制，目前已基本不被采用；锁相环合成法存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进频率合成技术中；直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。该技术具有分辨率高、切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点。随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。在本设计中为了获得低成本，高性能的信号发生器，采用了直接数字频率合成技术，用一片Analog Devices公司的单DDS集成芯片AD9951和微控制器ATmege16组合进行设计，达到了比较好的设计效果。2 DDS的结构及原理2.1 DDS的结构及工作原理直接数字频率合成是采用数字化技术，通过控制相位的变化速度，直接产生各种不同频率信号的一种频率合成的方法。DDS的结构原理图如图2.1-1所示，它由相位累加器、正弦表、转换器等组成。参考时钟r由一个稳定的晶体振荡器产生，用它来同步整个合成器的各个组成部分。相位累加器由位加法器与位相位寄存器级联构成，类似于一个简单的加法器。每来一个时钟脉冲，加法器就将频率控制字与相位寄存器输出的累加相位数据相加，然后把相加后的结果送至相位累加器的数据输入端。相位寄存器就将加法器在上一个时钟作用后产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续将相位数据与频率控制字相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加。当相位累加器累加满量时，就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是合成信号的一个周期，累加器的溢出频率也就是DDS的合成信号的频率。图2.1-1 DDS的结构原理图DDS的工作原理：DDS的基本原理是利用采样定量，通过查表法产生波形，在参考时钟r的控制下，频率控制字由累加器累加以得到相应的相位数据，把此数据作为取样地址，来寻址正弦表进行相位幅度变换，输出不同的幅度编码；再经过转换器得到相应的阶梯波；最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理，即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波。 DDS的输出频率0、参考时钟频率r、相位累加器长度以及频率控制字之间的关系为： DDS的频率分辨率为： 在理想情况下，DDS等效电路如图2.1-2所示，图中假设DDS相位累加器至波形存储器间无截断(累加器输出与波形存储器地址宽度相等)、波形存储器容量无限、DAC和LPF都是完全理想的。这样DDS就等效为一个完全理想的采样保持电路。 图2.1-2 理想DDS等效电路其时域输出为： 对其做傅氏变换得到频域响应： 由上式看出，理想DDS输出频谱中只有采样时钟及输入频率的混合产物，其主要杂波分量遵循Nyquist抽样定理，杂波分量出现在参考频率与输出频率的组合处，即：Nfcfo(N=0，1，2，)处。在fo处的信号最强，距输出频率最近的杂波分量为fefo(见图2.1-3所示)，而无新增频率分量，在DAC之后只要接入一高性能低通滤波器，就可得到期望的输出频率。 图2.1-3 DDS输出频率谱分布2.2 新一代DDS芯片的性能新一代的直接数字频率合成器采用全数字的方式实现频率合成，与传统的频率合成技术相比，具有以下特点：(1)频率转换快。直接数字频率合成是一个开环系统，无任何反馈环节，其频率转换时间主要由频率控制字状态改变所需的时间及各电路的延时时间所决定，转换时间很短。(2)频率分辨率高、频点数多。DDS输出频率的分辨率和频点数随相位累加器的位数的增长而呈指数增长，分辨率高达。(3)相位连续。DDS在改变频率时只需改变频率控制字（即累加器累加步长），而不需改变原有的累加值，故改变频率时相位是连续的。(4)相位噪声小。DDS的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声。(5)控制容易、稳定可靠、性价比极高。目前生产新一代单片DDS集成芯片技术比较成熟的主要是美国模拟器件公司(Analog Devices)和摩托罗拉公司(Motorola)两大公司的产品。在国内使用得比较多的是美国模拟器件公司的产品，因为该公司的产品品种齐全，更新快，且向下兼容，设计人员可以按不同的要求选用不同的型号。本设计选用的是美国模拟器件公司的单片DDS集成器件AD9851。3、AD9851芯片3.1、芯片介绍AD9851是美国AD公司采用先进DDS (直接数字合成) 技术,推出的具有高集成度DDS 电路的器件,它内部包含高速、高性能D/ A 转换器及高速比较器,可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。外接精密时钟源时,AD9851 可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波,这个正弦波能够直接作为基准信号源或通过其内部高速比较器转换成方波输出,作为灵敏时钟产生器。其主要特性如下:(1) 单电源工作( + 3.3 + 5.25V) ;(2) 工作温度范围- 4585 ;(3) 低功耗,在180MHz 系统时钟下,功率为555mW。电源设置有休眠状态,在该状态下,功率为4mW;(4) 接口简单,可用8 位并行口或串行口直接输入频率、相位控制数据;(5) 内含6 倍参考时钟倍乘器,可避免对外部高速参考时钟振荡器的需要,减小了由于外部频率源过高而可能产生的相位噪声;(6) 频带宽, 正常输出工作频率范围为072MHz ;(7) 频率分辨率高,其创新式高速DDS 码可接受32 位调频字,使得它在180MHz 系统时钟下输出频率的精度可达0.04Hz ;(8) 相位可调,可接收来自单片机的5 位相位控制字。AD9851为28引脚表帖元件,其引脚排列如图4 所示。图4 AD9851引脚排列图AD9851 的各引脚功能如下:D0D7 : 8 位数据输入口,可给内部寄存器装入40 位控制数据。PGND : 6 倍参考时钟倍乘器地。PVCC : 6 倍参考时钟倍乘器电源。W-CLK : 字装入信号,上升沿有效。FQ-UD : 频率更新控制信号,时钟上升沿确认输入数据有效。REFCLOCK: 外部参考时钟输入。CMOS/ TTL脉冲序列可直接或间接地加到6倍参考时钟倍乘器上,在直接方式中,输入频率即是系统时钟;在6 倍参考时钟倍乘器方式,系统时钟为倍乘器输出。AGND : 模拟地。AVDD : 模拟电源( + 5V) 。DGND : 数字地。DVDD : 数字电源( + 5V) 。RSET : DAC 外部复位连接端。VOU TN : 内部比较器负向输出端。VOU TP : 内部比较器正向输出端。VINN : 内部比较器的负向输入端。VINP : 内部比较器的正向输入端。DACBP : DAC 旁路连接端。IOU TB :“互补”DAC 输出。IOU T : 内部DAC 输出端。RESET : 复位端。高电平清除DDS 累加器和相位延迟器为0HZ 和0相位,同时置数据输入为并行模式以及禁止6 倍时钟倍频。3.2、工作原理(1) AD9851的基本工作原理AD9851 的结构图(图5)，它主要包括相位寄存器、相位全加器、D/ A 转换器,相位寄存器和相位全加器构成相位累加器。AD9851 内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率、相位控制字,相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后决定最终输出信号频率和相位的范围和精度,经过内部D/ A 转换器后,所得到的就是最终的数字合成信号，经外围低通滤波电路滤波后得到所要的波形。图5 AD9851 的结构图如果相位累加器的位数为N ,相位控制字的值为Fn ,频率控制字的位数为M ,频率控制字的值为Fm,系统外部参考时钟频率为30MHz ,6倍参考时钟倍乘器使能,那么经过内部6 倍参考时钟倍乘器后,可得到AD9851内部工作时钟FC 为180MHz ,此时最终合成信号的频率可由公式(1) 来决定,合成信号的相位由公式(2) 来决定。F = Fm* Fc/ 2 n (1) = 2*Fn/ 2m (2)(2) AD9851的控制方式AD9851 内部有5个输入寄存器，储存来自外部数据总线的32位的频率控制字,5位的相位控制字，一位6 倍参考时钟倍乘器使能控制字,一位电源休眠功能(powerdown)控制和一位逻辑 0 。逻辑0是厂家设定参数专用使能位应用时不能使能该位，否则会进入厂家设定参数状态,只有通过复位才能退出该状态。寄存器接收数据的方式有并行和串行两种方式。并行方式如图6所示，是通过8 位数据总线D0D7 来完成全部40 位控制数据的输入。复位信号RESET 有效会使输入数据地址指针指向第一个输入寄存器，W-CLK 上升沿写入第一组8 位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5 个W-CLK上升沿后,即完成全部40 位控制数据的输入，此后W-CLK信号的边沿无效。当FQ-UD 上升沿到来之际40 位数据会从输入寄存器被写入频率和相位控制寄存器，更新DDS 的输出频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器,等待着下一组新数据的写入。图6 并行工作方式时序图串行方式如图7 所示,W-CLK 上升沿把引脚D7 上的数据按位串行移入到输入寄存器,40 位输入结束后,任何W-CLK上升沿到来都会造成数据顺序移出并导致原来数据无效,此时FQ-UD 端的上升脉冲就可以使40 位数据更新芯片的输出频率和相位。图7 串行工作方式时序图3.3、与单片机的连接方式 AD9851提供并行装载和串行装载两种工作模式，可以很方便的与各种微控制器进行通信。微控制器只要把用户输入的频率和相位转换成相应的频率控制字和相位控制字并通过并行或串行方式发送给AD9851即可。因为AD9851上电复位后芯片默认为并行装载模式，如果和微控制器采用串行方式进行连接，则需要将其转换成串行装载模式。其转化方法就是在初始化AD9851时在并行装载模式下写一个字节XXXXX011就可以换成串行装载模式了。其时序图如图8所示。 图8 从并行装载换成串行装载模式而数据XXXXX011则由硬件电路提供，即从并口的硬件接线来提供。具体接法见下图 9所示。图9 硬件配置数据XXXXX0114. ATmega16芯片4.1 芯片介绍ATmega16是著名的Atmel公司设计生产，其速度快，片内资源丰富，保密性好。其主要特点如下： 高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 先进的RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程Flash擦写寿命: 10,000 次 具有独立锁定位的可选Boot 代码区通过片上Boot 程序实现系统内编程真正的同时读写操作 512 字节的EEPROM擦写寿命: 100,000 次 1K字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10 位ADC8 个单端通道TQFP 封装的7 个差分通道2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式 I/O 和封装 32 个可编程的I/O 口 40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP 封装, 与44 引脚MLF 封装 工作电压: ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5V 速度等级 0 - 8 MHz ATmega16L 0 - 16 MHz ATmega16 ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25C 时的功耗 正常模式: 1.1 mA 空闲模式: 0.35 mA 掉电模式: 1 AATmega16的PDIP 封装为40引脚，其引脚排列如图所示。ATmega16的各引脚功能如下：PA0PA7：8位并行I/O兼有8通道10位模/数转换器的第2功能。 PB0PB7：8位并行I/O兼有SIP接口与计数器等第2功能。PC0PC7：8位并行I/O兼有JTAG接口和TWI接口等第2功能。PD0PD7：8位并行I/O兼有UART串行通讯接口与外部中断接口等第2功能。RESET（第9引脚）：复位端。Vcc ：电源输入端。GND（第11引脚） ：接地XTAL1和XTAL2：振荡器或外部时钟输入端AREF ：模/数转换器的参考电压输入端。GND（第31引脚）：模/数转换器的电源接地AVCC ： 电源输入端。5、系统硬件设计5.1、系统设计框图在本系统中，AD9851与ATmega16采用串行方式进行连接，用户通过键盘输入所要的频率并实时的在LCD上显示。AD9851的输出经频率输出处理电路(主要是一个低通滤波器)后输出一个标准的正弦波。电源电路ATmega16AD9851频率输出处理电路1602LCD键盘图11 是ATmega16 与AD9851 采用串行模式接口的电路框图。AD9851DATA IOUTW_CLK FQ_UD VOUTPATmega16PB.2PB.1 PB.0外部时钟30MHz 图11 ATmega16与AD9851的接口框图5.3、单片机与LCD的接口电路系统中选用的YM1602的液晶模块，采用HD44780芯片作为控制器，是5x7点阵图形显示字符的液晶显示器，它显示的容量为2行16个字，具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动/闪烁等功能。液晶显示器由于体积小、重量轻、功耗低等许多优点，日渐成为各种便携式电子产品的理想显示器。从液晶显示器显示内容来分，可分为段式、字符式和点阵式三种。其中字符式液晶显示器以其价廉、显示内容丰富、美观、无须定制、使用方便等特点成为LED显示器的理想替代品。字符型液晶显示器专门用于显示数字、字母、图形符号并可显示少量自定义的符号。这类显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存贮器等做在一块板上，有些甚至把字库也集成在里面。再与液晶屏一起组成一个显示模块，因此，这类显示器安装与使用都较简单。其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，使它得到越来越广泛的应用。YM1602LCD与接口方式基本是标准的。和单片机连接一般有两种方式：直接连接和间接连接。直接连接就是把其口线连接到通用端口上，通过软件模拟访问LCD的读写时序进行访问。间接连接就是把他当成一标准外设来访问，即用单片机产生的硬读写信号来访问。本系统采用的是第一种连接方式,即直接连接方式。此外，它还可以选择采用8位并行传输或4位并行传输两种方式，以便节省的口线资源，这里使用4位并行传输两种方式。5.4. 系统电路图(1) DDS 电路部分(2) 单片机部分6、系统软件设计（源程序详见附件1）该系统软件采用C语言在ICCAVR软件下编写。程序模块主要包括：负责各种初始化工作和循环判键工作的主程序。负责用户输入所需各种频率的键盘管理程序。及LCD显示程序，计算频率控制字程序等。每个模块由单独的一个函数来完成。整个系统的程序结构框图如图17所示。主程序 图17 系统的程序结构框图7、系统调试与测试本系统所使用的软件开发工具是ICC AVR v6.31A，在集成开发环境中编程、编译、调试和连接,直接用ISP（在线可编程）下载。由于系统采用的是C语言编程，用所以软件的调试难度不大，模块化的调试方法逐一调试即可。本系统的硬件调试则比较麻烦，由于DDS芯片是数模混合电路而且电路的工作频率高，可达180MHZ，因此对电路的设计提出了较高的要求，对硬件电路的布版要精心考虑。AD9851的布线应采用模拟地和信号地分开走，最后再一点接地的布线方式，同时应加大地线的面积，在模拟电源AVCC和数字电源DVDD端都并上104贴片电容加大退偶。在硬件的调试过程中发现了以下几个问题，同时也给出了一些相应的解决办法。(1) 晶振温度对系统影响问题。晶振的温度会随工作时间和环境温度的变化而变化，而晶振温度的变化会造成振荡频率的变化，即系统时钟的变化。所以就造成了输出的误差，同时也给校准带来困难。解决的办法之一就是使用恒温晶振。而且，要想进行相对准确的测量，减小测量误差，一般需要对整机充分预热半个小时后方可进行。(2) AD9851芯片自身的发热量问题。在实际调试过程中发现AD9851自身的发热相当严重，特别是在给AD9851输出频率在10MHz以上时，AD9851的温度会骤升。此后，温度会缓慢的下降，经过多次实验发现这一过程也会对输出频率产生一点的影响：由于温度回落缓慢，所以输出频率也朝一个方向缓慢变化，直至一段时间后才基本上稳定。解决的办法是想办法给AD9851芯片降温，(3) 测量仪表的精度问题，该系统的计算频率控制字的算法理论上精度是1HZ，但目前实验室没有在070MHZ精度能超过1HZ的频率计，这给系统的精确测试和校准带来极大的困难。系统的校正是修改计算频率控制字算法的除数以适应系统的晶振频率，如果测量仪表有误差，则会造成校正计算频率控制字算法的除数的偏差，而这一偏差造成的误差则会积累，即会随输出频率的增大而增大。8、关键程序源代码AD9851 驱动程序：采用普通IO口模拟DDS的串行时序/-端口操作宏定义-/#define SET_FQ_UD PORTB|= (1PB0) #define CLR_FQ_UD PORTB&=(1PB0) #define SET_CLK PORTB|= (1PB1) #define CLR_CLK PORTB&=(1PB1) #define SET_DIN PORTB|= (1PB2) #define CLR_DIN PORTB&=(1PB2) void TransAD9851(unsigned long F,unsigned char P) unsigned long temp;unsigned char i,temp2; CLI();/关掉全局中断 temp=F*23.861351;/计算32位频率控制字 temp2=P; CLR_FQ_UD; CLR_CLK; delay_1us(); for(i=0;i1; CLR_CLK; CLR_DIN; delay_1us(); for(i=0;i1; CLR_CLK; CLR_DIN; delay_1us(); SET_FQ_UD; delay_nus(3); CLR_FQ_UD; delay_nus(3); SEI();9、结束语经过精心的设计和调试，并进行多次的测量和校正，这个基于ATmega16和 DDS 芯片AD9851的精密信号发生器，可以达到1Hz的精度，输出频率范围可达070MHz，输出幅度在0.5Vp-p以上，很好地达到了设计要求。具有一定的实用和推广价值。,