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1、7 基于DDS技术的高精度数控信号源设计 摘要：本设计是一种采用DDS技术的新型高精度数控信号源，可输出正弦波、方波和三角波.系统中输出波形的频率采用数控方式，可实现对频率的逐Hz调节，频率精度优于0.1Hz，最高输出频率可达70MHz左右.与传统信号源相比，本设计具有输出波形质量好、频率精度和稳定性高、频率范围宽等优点.设计方案简洁，易于实现. 关键词：DDS； 高精度； 信号源； 单片机 Design of High Precision Signal Source Controlled by Digital Signal Bases on DDS Techno
2、logy Abstract: This design Bases on DDS Technology ,is a newfashioned high precision signal source controlled by digital signal.It can produce sine wave, quadrate wave and trigonal wave.IN system，the frequency of deferent wave is controlled by digital signal,it can actualize adjusting frequency
3、 every Hz, the precision of frequency excelled 0.1Hz,the highest deferent frequency can attain about 70MHz. Compare it with traditional signal source, this design have the merit of deferent wave's quality is better, precision of frequency and stability is higher,and bound of frequency is more wide.T
4、he project of design is pithiness,and is prone to actualize. Key words: DDS; high precision; signal source; MCU 0 引 言 传统的信号源一般采用RC振荡电路、LC振荡电路、石英晶体振荡电路或波形发生集成电路来实现，很难在较宽的频带内实现高质量、高频率精度和高稳定性波形的输出，且一般频率调节是通过调节电阻、电感、电容参数或变容二极管的电容量来实现，难于实现高精度和数控调节. 为解决这一问题，我们设计了基于直接数字频率合成器DDS（Direct Digita
5、l Frequency Synthesis）技术的高精度数控信号源.该信号源是一种新型信号源，可通过数控方式来实现对输出波形的频率调节，能在较宽的频带内输出波形质量好、频率精度和稳定性高的正弦波、方波和三角波. 基于DDS技术的信号源有多种设计方案，但很多设计方案过于繁琐，实现难度较大.我们的设计采用应用非常广泛的51系列单片机来进行控制，采用简洁的设计即可实现电路功能，非常易于实现，且性价比高.经过实际测试，信号源可做到逐Hz频率调节，频率精度优于0.1Hz，最高输出频率可达70MHz左右，很有应用和推广价值. 1 频率合成器件选择 频率合成技术是将一个或几个高稳定度、高准确度的
6、标准频率进行变换后产生新的离散频率的技术.频率合成技术主要分为直接模拟频率合成法、直接数字频率合成法和间接锁相环式合成法三种类型.由于直接数字频率合成法具有的高精度、高频率、输出波形失真小等优点，其应用更加广泛.实现直接数字频率合成的器件——直接数字频率合成器（DDS）近年来也越来越多地应用在通信、医学和军事等领域. DDS技术源于1971年美国学者j.Tierney等人提出的理念①，近年来随着集成电路制造工艺的发展，DDS器件在技术上更加成熟，应用领域更加广阔.DDS技术的基本工作原理如图1所示. 图1 DDS技术基本工作原理 Fig.1 B
7、asal principium of DDS technology ① 1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的 “A Digital Frequency Synthesizer” 一文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理. 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，产生所需的数字波形（通常是正弦波形），再通过高速D/A变换器和模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形.在输入频率控制字K的控制下，相位累加器在每次参考时钟脉冲的作用下，输出一个正弦幅值存储器地址，每个地址对应于正弦波的一个
8、相位点.正弦幅值存储器的输出经过数模转换器DAC和低通滤波器LPF后，就可得到由频率控制字K所设定的输出频率. 目前生产DDS器件的主要有AD、Qualcomm、Sciteg、Stanford等公司，其中尤以美国AD（ANALOG DEVICES）公司生产的系列DDS器件，因其较高的性价比而使用更加普遍.AD公司生产的系列DDS器件主要有以下几种：正弦波输出的AD9850、AD9851；可实现线性调频的AD9852；两路正交输出的AD9854；以DDS为核心的QPSK调制器AD9853；数字上变频器AD9856、AD9857等.根据设计目标，选用AD9851芯片即可完成设计要求.AD9851
9、芯片的引脚排列及功能如图2所示. 数据输入端3 数据输入端4 数据输入端2 数据输入端5 数据输入端1 数据输入端6 数据输入端0 输入端7/串行输入 6倍频参考时钟倍乘器接地 数字地 6
10、倍频参考时钟倍乘器电源正 数字电源证 字输入时钟端 复位端 频率更新控制端 内部DAC输出端 参考时钟输入端 互补DAC输出端 模拟地 模拟地 模拟电源正
11、 模拟电源正 数模转换器外接引脚 内部DAC旁路连接端 内部比较器负向输出端 内部比较器正向输入端 内部比较器正向输出端 内部比较器负向输入端 图2 AD9851引脚排列及功能 Fig.2 Pins array and f
12、unction of AD9851 AD9851内部由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS 芯片、10位的模/数转换器和内部高速比较器几个部分组成.其中具有6倍参考时钟倍乘器的DDS 芯片是由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/ A变换器以及低通滤波器构成.该芯片时钟频率可达180MHz,输出正弦波频率可达70MHz,供电电压为3/3.3/5V，最大功耗为650mW. 2 系统设计方案 2.1 系统总体结构图 系统总体结构如图3所示. 七阶切 比雪夫 滤波器 DDS芯片 AD9851 单片机 AT89S51
13、4×4 键盘 比较器 正弦 波输 出 高速 宽带 放大器 30MHz高稳定度有源晶振 可编程显示驱动芯片 MAX7219 5V电源 方波 输出 积分电路 三角 波输 出 8位数码管显示 图3 系统总体结构图 Fig.3 Collective structure of system 2.2 采用单片机控制AD9851芯片的方式 AD9851芯片通常使用单片机或FPGA芯片来控制.本设计方案考虑易于实现，采用了AT89S51单片机来进行控制.单片机与AD9851
14、的连接如图4所示. 图4 单片机与AD9851的连接图 Fig.4 Connection between MCU and AD9851 向AD9851芯片写入控制数据有并行和串行两种方式，本设计采用并行方式，这样可使单片机程序编写更简洁一些.在AD9851芯片WCLK引脚的每个上升沿可从单片机P1口的P1.1～P1.7引脚向AD9851芯片的数据输入端D0～D7写入8位数据，经过5次数据传送后，在FQ_UD引脚的上升沿将单片机传送的40位数据从AD9851的数据输入寄存器转入频率/相位寄存器，对频率/相位寄存器的控制数据进行刷新. AD9
15、851的频率/相位寄存器中存放的是40位控制数据，数据不同，就可以使AD9851输出频率和相位不同的正弦波信号.AD9851芯片40位控制数据的含意如表1所示： 表1 AD9851芯片40位控制数据含意 Tab.1 Meaning of forty bits control data of AD9851 chip W0（控制字0） W1～W4（控制字1～4） D7～D3 D2 D1 D0 FD31～FD0 相位调制字，不进行相位调制时可悬空 掉电方式控制位，“0”为非掉电工作方式，“1”为掉电工作方式 数据写入方式标志位，“0”为并行方式，“1”为串
16、行方式 6倍频器控制位，“0”为不启用6倍频，“1”为启用6倍频 32位频率控制字，用32位二进制数值表示，W1为高位，W4为低位 通过改变32位频率控制字的数值，就可以使信号发生器输出不同频率的信号.如果AD9851的时钟频率为f0, 32位频率控制字为K，则输出频率数值为f＝Kf0/232.如在本设计方案中，采用30MHz晶振，启用AD9851内部的6倍频电路，则AD9851的时钟频率为180MHz，若要输出1MHz的信号，则频率控制字应为（23860929）10，换算成为二进制，即（1011011000001011011000001）2 .这样，由单片机送出相应的控制字，就可以
17、得到所需频率的信号. 在上电复位后，AD9851内部寄存器自动清零，自动设定为非掉电工作、并行数据输入、不启用6倍频器工作方式，数据输入端D0～D7指向控制字W0，此时通过单片机P2.0引脚产生一个上升沿信号，就可以将W0控制字从单片机P1口的P1.1～P1.7引脚写入AD9851的数据输入寄存器中，进而再由单片机P2.0引脚产生上升沿信号，就可以顺次将32位二进制频率控制字按由高位向低位的顺序从单片机写入W1～W4控制字的数据输入寄存器.数据输入完成后，通过单片机P2.1引脚产生一个上升沿信号，就可以将单片机传送的40位数据从AD9851的数据输入寄存器转入频率/相位寄存器，对频率/相位寄
18、存器的控制数据进行刷新，AD9851的IOUT引脚即产生设定频率的正弦波信号. 2.3 输出滤波器的设计 由AD9851输出的波形，通过滤波器 滤波后，可得到质量更好的正弦波.在本 设计中，采用七阶切比雪夫滤波器，如图 5所示. 2.4 其它外围电路设计 本设计方案的输入采用4×4键盘. 图5 七阶切比雪夫滤波器 显示驱动采用了MAXIM公司生产的 Fig.5 Seven ranks Chebyshev filter MAX7219可编程显示驱动芯片，单片机 只需使用三只引脚，便可驱动8只数码管进
19、行显示，且数码管的亮度可用软件进行调节.正弦波及波形变换中的放大器应选用宽带高速放大器，如OP27、AD817、SG811和TL084等. 2.5 程序设计流程 程序设计流程如图6所示. 程序初始化 按键检测 是否有 按键按下 NO YES 键值处理，通过查表，生成频率控制字 将频率控制字送入AD9851 更新数码管显示 清看门狗 图6 程序设计流程 Fig.6 Flow c
20、hart of program design 3 结 论 该基于DDS芯片AD9851的高精度数控信号源，采用单片机控制，性价比高，易于实现.且输出波形质量高，可做到逐Hz频率调节，频率精度优于0.1Hz.通过测试，最高输出频率可达70MHz左右，很有应用和推广价值. 参考文献： [ 1 ] 高吉祥. 高频电子线路 [ M ]. 北京：电子工业出版社，2007. [ 2 ] 韩志军，沈晋源，王振波. 单片机应用系统设计 [ M ]. 北京：机械工业出版社，2005. [ 3 ] 王治刚. 单片机应用技术与实训 [ M ]. 北京：清华大学出版社，2004. [ 4 ] 高健. 现代通信系统 [ M ]. 北京：机械工业出版社，2004. [ 5 ] 卢孟夏，胡智娟，薛永毅，段丽. 通信技术概论 [ M ]. 北京：高等教育出版社，2005. [ 6 ] 胡宴如. 高频电子线路 [ M ]. 北京：高等教育出版社，2004. [ 7 ] AD公司. AD9851使用手册 [ Z ]，2005. [ 8 ] 赵佩华. 单片机接口技术及应用 [ M ]. 北京：机械工业出版社，2003.
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