微型DDS信号发生器[1].doc

微行DDS信号发生器摘要：本文主要介绍的是微型的DDS信号发生器的原理和设计，整个系统是以AT89S51为控制，外部ROM为存储，AD9850芯片和温度补偿晶体振荡器构成的微型DDS信号发生器，采用DM-162点阵液晶显示模块作为显示器。该软件系统采用4*4键盘操作，以菜单形式进行显示，操作方便简单，软件增加了许多功能。它通过启动DDS后，把内存缓存区的数据读出送到DDS后输出相应的频率，并把数据转换为BCD码，送到液晶显示器进行显示。该系统体积小、稳定度、精度极高，方便携带适用于野外测试精密仪器。创新之处：1 采用是当代最先进的直接数字频率合成（DDS）技术为主，以高精度、稳定度的温度补偿晶体振荡器为基准。具有当代最高的精度、稳定度，频率分辨率可达1HZ。2 采用低功耗DM-162液晶显示模块。3 具有多个频道的存储、掉电存储断电记忆功能。4 具有超频率、超频道的自动查错功能。5 软件上采用菜单式，全部键盘控制方式。6 支持在线擦除，随时升级程序。7 体积极小，可用于野外测试。关键词：直接数字频率合成（DDS）、AD9850、温度补偿晶体振荡器引言直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS）问世之初，构成元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对的深入研究，的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。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。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。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。工作原理：给整个系统上电后,单片机启动DDS、对LCD进行初始化，预置完毕后向单片机发出一应答.接着单片机读取存储芯片中作为系统缓存器的数据，送到LCD显示，把LCD显示的内容转换为DDS的频率数据，然后送给已经启动DDS芯片，输出相应的频率。然后进入键盘扫描程序，判断键盘按下，如有效键按下单片机则执行送显示等。然后返回键盘扫描程序处于等候状态。总体框图如下图1。LCD显示4*4键盘MCUAD9850温度补偿LPF Fout 图1直接数字频率合成在频率合成（FS, Frequency Synthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接数字合成(Direct Digital SynthesisDDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图2所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达Hz级，相位控制小于0.09）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。其实，以前DDS价格昂贵、功耗大（以前的功耗达Watt级）、DAC器件转换速率不高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件，其功耗降低到mW级（AD9851在3.3v时功耗为480mW），功能增加了，价格便宜。因此，DDS也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN系统、雷达、卫星通信。基准时钟相位累加器相位/幅度变换D/A变换低通滤波比较器 M fo图2基本原理及性能特点 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。的结构有很多种，其基本的电路原理可用图3来表示。 相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器 K fSfo图3相位累加器由位加法器与位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所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脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器（）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到转换器，转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。 在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。（）输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为s（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到s。 （）频率转换时间短 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得的频率转换时间极短。事实上，在的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 （）频率分辨率极高若时钟s的频率不变，的频率分辨率就由相位累加器的位数决定。只要增加相位累加器的位数即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数的分辨率在数量级，许多小于甚至更小。 （）相位变化连续 改变输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 （）输出波形的灵活性只要在内部加上相应控制如调频控制、调相控制和调幅控制，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生、和等信号。另外，只要在的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 （）其他优点 由于中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 采用AD9850的DDS是公司采用先进的技术，年推出的高集成度频率合成器，它内部包括可编程系统、高性能及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。接口控制简单，可以用位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。位频率控制字，在时钟下，输出频率分辨率达。先进的工艺使不仅性能指标一流，而且功耗少，在供电时，功耗仅为。扩展工业级温度范围为摄氏度，其封装是引脚的表面封装。AD9851内部方框图（如图4） 采用位相位累加器，截断成位，输入正弦查询表，查询表输出截断成位，输入到。输出两个互补的模拟电流，接到滤波器上。调节满量程输出电流，需外接一个电阻，其调节关系是set（），满量程电流为。 图4AD9850的引脚功能：AD9850是28脚SOP表面封装，体积小，易用于便携仪器。其引脚排列如图5所示，功能如下：（1）D0-D7，控制字并行输入端，其中D7可作为串行输入；（2）DGND，数字地；（3）DVDD，为内部数字电路提供电源；（4）WCLK，控制字装入时钟；（5）FQUD，频率更新控制；（6）CLK，输入时钟；（7）AGND，模拟地；（8）AVDD，为内部模拟电路提供电源，可与数字电源共用；（9）RSET，DAC外接电阻；（10）QOUT，QB，内部比较器输出端；（11）VINN，VINP，内部比较器输入端； 图5（12）DACBL，内部DAC外接参考电压端，可空；（13）IB，IOUT，DAC输出端；（14）RES，复位端。 AD9850在本系统的应用电路 DDS的基准信号源决定于整个系统输出的精确度和稳定度，所以在本系统中采用了12.8MHz的温度补偿晶体振荡器作为DDS的基准信号源，温度补偿晶体不随温度的改变而改变，而且精度和稳定度是非常高，抗干扰也是比较好。使得整个系统输出的频率是那么的精确稳定。由于AD9850是贴片式的体积非常小，引脚排列比较密，焊接时必须小心，还要防静电击穿，焊接不好就很容易把芯片给烧坏。还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。所以在AD9850外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护电路。为了不受外界干扰，添加了不少的滤波电路，显得整个电路更完美。详细电路图如图6。图6低通滤波器（LPF）为了使输出的频率不受外界和一些杂波的干扰，所以选用了4阶的型LC低通滤波器，其动态范围宽达035MHZ,增益高，35MHZ时衰减2.4DB，采用RFSim99对LPF进行仿真图如图8。输入、输出阻抗为50。原理图如图7。 图7图8单片机控制的整体电路本系统的微处理控制器选用的是AT89S51，它是美国Atmel公司生产新一代的51芯片，Atmel公司对89S51/2在工艺上进行了改进，采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89CXX与89SXX可以兼容。更重要的是AT89SXX支持在线编程，非常方便。存储芯片采用I2C总线标准的是容量是2K的普通外部存储芯片24C02，它也是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）等特点。系统中的 DM-162带有背光的液晶模块，它是字符型液晶模块，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。与MCU的传输可采用8位并行传输或4位并行传输两种方式。其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在仪表、仪器和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。详细原理电路如图9。 图9本系统的软件设计 本系统在显示平台上采用了2行16个字的显示界面，操作平台上是4*4的键盘，所以在软件设计上采用了菜单的形式进行显示。使得整个平台更加美观、简洁操作起来方便、易懂，更能显示出电子科技现代化的味道。（整体的大概程序流程图后附）（1）DDS（AD9850）启动和数据传送 AD9850时序图： 时间规格表:;*根据上面的时序图，AD9850的程序跟AD9851几乎是一样的，详细子序如下：;初始化DDS;DDS启动、设置;*;初始化DDS;=;-SETUP_AD9851: CLR W_CLK ;初始化信号脚 CLR FQ_UD SETB W_CLK ;设置为串行输入 CLR W_CLK SETB FQ_UD CLR FQ_UD RET;-;=;发送数据到DDS;=;-W_AD9851: CLR FQ_UD MOV A,R0 LCALL SEND_PLLRDATA MOV A,R1 LCALL SEND_PLLRDATA MOV A,R2 LCALL SEND_PLLRDATA MOV A,R3 LCALL SEND_PLLRDATA MOV A,#000B LCALL SEND_PLLRDATA SETB FQ_UD CLR FQ_UD RET;-;=;=;-SEND_PLLRDATA: MOV C,ACC.0 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK MOV C,ACC.1 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK MOV C,ACC.2 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK MOV C,ACC.3 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK MOV C,ACC.4 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK MOV C,ACC.5 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK MOV C,ACC.6 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK MOV C,ACC.7 MOV DATA7,C SETB W_CLK CLR W_CLK RET;-;=;*（2）LCD与单片机连接DM-162采用标准的14脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线。DM-162液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表1所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A” DM-162液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2所示，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置 指令2：光标复位，光标返回到地址00H 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 ；6：功能设置命令 表1DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符 指令7：字符发生器RAM地址设置 指令8：DDRAM地址设置 指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10：写数据 指令11：读数据 DM-162液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口，电路如图15所示。 图15液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表2是DM-162的内部显示地址. 表2比如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B（40H)[phone]B(80H)=11000000B(C0H) 以下程序显示“S”START：ACALL LCDSTARTMOV A,#01H;清屏LCALL WRTCMOV A,#S ;SLCALL WRTS AJMP $;*;LCD子程序;*;=LCDSTART: MOV A,#101000B;4位总线 LCALL WRTC MOV A,#10B LCALL WRTC MOV A,#01H;清屏 LCALL WRTC MOV A,#1111B;显示开，光标开，闪烁开 LCALL WRTC MOV A,#110B;光标自动右移，显示文字不动 LCALL WRTC MOV A,#10000000B;设置显示地址00h LCALL WRTC ;MOV A,#11000000B;设置显示地址00h ;LCALL WRTC RET;=READBUSY: SETB DB7 CLR RS SETB RWWAIT: SETB E MOV C,DB7 JC WAIT RET;=WRTC: ;送指令 LCALL READBUSY CLR RS CLR RW SETB E MOV C,ACC.7 MOV DB7,C MOV C,ACC.6 MOV DB6,C MOV C,ACC.5 MOV DB5,C MOV C,ACC.4 MOV DB4,C CLR E SETB E MOV C,ACC.3 MOV DB7,C MOV C,ACC.2 MOV DB6,C MOV C,ACC.1 MOV DB5,C MOV C,ACC.0 MOV DB4,C CLR E RET;=WRTS: ;送数据 LCALL READBUSY SETB RS CLR RW SETB E MOV C,ACC.7 MOV DB7,C MOV C,ACC.6 MOV DB6,C MOV C,ACC.5 MOV DB5,C MOV C,ACC.4 MOV DB4,C CLR E SETB E MOV C,ACC.3 MOV DB7,C MOV C,ACC.2 MOV DB6,C MOV C,ACC.1 MOV DB5,C MOV C,ACC.0 MOV DB4,C CLR E RET;=结束语本信号发生器经过软件、硬件的综合调试，所有预订功能均能完成，能准确地用单片机控制，所有性能指标已超出计划指标，切换速度极快。本系统特别适合在跳频技术中应用和无线电通信技术、教学实验仪器中应用，具有比较广阔的发展前景。DDS短波信号发生器技术指标：1.频率范围：0-35MHz2.频率稳定度：1ppm；频率准确度：1ppm3.温度范围：-20+604.输出幅度：450mV5.频率间隔：1Hz6.频率控制方式：串行码方式，由外接单片机控制。7.电源电压：5V、12V8.外形尺寸： 15cm*10cm*5cm所采用的仪器设备：1 BT-3G频率特性测试仪2 Tektronix 2245A 100MHz模拟示波器3 Tektronix TDS210 60MHz数字示波器4 EE1642B型函数信号发生器/计数器5 ZWF HC-204GHz频率、电容、周期、计数器6 DT9205数字万用表7 东明DM-2100B制版机8 自制的AT89S51下载线9 普通计算机所用软件：protel 99se 、WAVE3.2程序编辑器、RFSim99参考文献：1胡宴如. 高频电子线路. 高等教育出版社2.白驹珩 雷晓平 .单片计算机及其应用 . 电子科技大学出版社3.李广弟. 单片机基础. 北京航空航天大学出版社4Analog Devices Inc. CMOS 125MHz Complete DDS Synthesizer AD9850.19975肖汉波 一种基于DDS芯片AD9850的信号源 中国工程物理研究院电子工程研究所6 陈永泰 刘雪燕 AD9851与AT89C51在信号源中的应用 武汉理工大学7 AD9850及其在频率测量中的应用 东方集成网参考网站：1美国ADI公司 251单片机世界 3集成网 开始读24C02临时单元送显示送DDS*键显示系统功能采单2键删除显示输入删除频道#键判断出错显示删除OK4键保存显示输入保存频道#键判断出错显示保存OK3键输入频率显示输入频率#键判断出错显示写24C02临时单元1键*键显示下页系统功能采单3键1键*键2键1键搜索显示+1-1读相应频道单元显示频道内容#键*键写24C02临时单元提取显示输入提取频道#键判断提取OK出错显示#键*键