基于AD9850的多功能信號源設(shè)計

摘要 ：AD9850以芯片為多功能信號源頻率合成核心，以單片機(jī)(89C52)為控制和數(shù)據(jù)處理核心，實現(xiàn)了正弦波、方波及AM、FM、ASK、FSK、PSK 等調(diào)制波形的產(chǎn)生和輸出。結(jié)合鍵盤和顯示部分，實現(xiàn)了任意頻率值的選擇和顯示，構(gòu)成了一個完整實用的信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器可在10 Hz～40 MHz范圍內(nèi)實現(xiàn)任意頻率的輸出，步進(jìn)值和輸出幅值可調(diào)。經(jīng)過對系統(tǒng)的最終測試與實驗數(shù)據(jù)分析表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、且范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

直接數(shù)字合成技術(shù)(Direct Digital Synthesizer，DDS)是由一個參考頻率源產(chǎn)生多種頻率的技術(shù)，其采用數(shù)字信號控制的相位增量，具有頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化易于集成等優(yōu)點(diǎn)。因此，得到了廣泛的應(yīng)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(shè)計方案，給出了實現(xiàn)多種信號生成的具體方法。

1 直接數(shù)字頻率合成原理及構(gòu)成

AD9850是美國AD公司推出的高集成度頻率合成器，內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，其由一個加法器和一個N位相位寄存器組成。每來一個時鐘脈沖，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，將相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，累加寄存器將加法器在上一個時鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下進(jìn)行線性相位累加，當(dāng)相位累加器累加滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，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，可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個相位點(diǎn)。查詢表將輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動DAC以輸出模式量，實現(xiàn)正弦信號的合成。

相位寄存器每經(jīng)個fc時鐘周期后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)地，正弦查找表經(jīng)過一個循環(huán)回到初始位置，DDS輸出一個正弦波。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;M是頻率控制字的字長;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表，而要截斷。相位截斷減小了查詢表長度，但并不影響頻率分辨率，對最終輸出僅增加一個較小的相位噪聲。DAC分辨率一般比查詢表長度小2～4位。通常用頻率增量來表示頻率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率為

接上精密時鐘源并寫入控制字后，AD9850就可產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。如果經(jīng)過內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換后則可得到方波輸出。一個基本的DDS結(jié)構(gòu)，主要由參考時鐘、相位累加器、相位調(diào)制器、ROM查找表、D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)和低通濾波器(LPF)構(gòu)成，如圖1所示。

2 多功能信號源的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

為實現(xiàn)多功能常用信號源的設(shè)計要求，選用AD9850為頻率合成核心芯片，AD9850是一個運(yùn)用先進(jìn)的DDS技術(shù)，并結(jié)合集成在一片芯片內(nèi)的高速、高性能的D/A轉(zhuǎn)換電路和比較器構(gòu)成一個完全數(shù)控的可編程頻率合成器，且具有時鐘產(chǎn)生功能的高度集成芯片。當(dāng)有一個精確時鐘源作為參考頻率源時，AD9850 能產(chǎn)生一個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參考時鐘，AD9850能產(chǎn)生一個32位頻率調(diào)整控制字，其導(dǎo)致一個0.029 1 Hz的輸出調(diào)諧頻率分辨率。另外，AD9850采用先進(jìn)的CMOS工藝，在3.3 V供電時其功耗僅為155mW。

將單片機(jī)實現(xiàn)對DDS的控制與微機(jī)實現(xiàn)的控制相比，具有編程控制簡便、接口簡單、成本低、容易實現(xiàn)系統(tǒng)小型化等優(yōu)點(diǎn)，因此采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制芯片，主要功能是完成對外部信號的采樣、運(yùn)算、頻率控制，鍵盤數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?矩陣鍵盤用于進(jìn)行正弦波、方波頻率參數(shù)設(shè)定;各個信號的輸出選擇，頻偏、調(diào)制度的設(shè)定以及其他功能設(shè)置;按照指標(biāo)要求可完成正弦波、方波、FM波、AM波、PM波的輸出。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

2.2 單片機(jī)與DDS芯片的連接方式

AD9850的40位頻率/相位控制字可通過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(xù)輸入 5次數(shù)據(jù)，每次輸入8位(1 Byte)，將40位頻率/相位控制字送入器件。系統(tǒng)中，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)鎖存器和控制鎖存器來實現(xiàn)對AD9850模塊的控制，數(shù)據(jù)鎖存器打開時，控制鎖存器關(guān)閉，此時傳輸數(shù)據(jù);控制鎖存器打開時，數(shù)據(jù)鎖存器關(guān)閉，此時根據(jù)AD9850的時序?qū)_CLK、FQ_UD、RESET執(zhí)行相應(yīng)的操作。單片機(jī) 89C52控制AD9850工作連線圖，如圖3所示。

3 多功能信號源各個輸出信號實現(xiàn)

3.1 正弦波信號的實現(xiàn)

要得到所需要頻率的信號，關(guān)鍵是計算該信號所對應(yīng)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(jù)實際需要設(shè)置不同的相位控制字，便可實現(xiàn)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(shù)精度來設(shè)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(jù)需要輸出頻率值經(jīng)式(3)計算得出，再將所計算出的M通過單片機(jī)STC89C52并口寫入芯片AD9850，AD9850根據(jù)控制字來設(shè)定相位累加器的步長大小。AD9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截斷成10位后輸入到 DAC，DAC再輸出兩個互補(bǔ)的電流。將波形存儲器的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，得到所需頻率的正弦波信號。

3.2 AM調(diào)制信號的實現(xiàn)

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

電路實現(xiàn)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(diào)制信號由TLC7528構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)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信號的實現(xiàn)

2ASK實現(xiàn)很簡單，通過改變電源控制字的0、1狀態(tài)實現(xiàn)，即調(diào)制信號為高電平時，W0為0x00;低電平時，W0信號為0x04。

2PSK調(diào)制是通過改變相位控制字實現(xiàn)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(diào)制信號為高電平時，W0為0x00;低電平時，W0為0x80。

2ASK調(diào)制和2PSK調(diào)制在T0中斷中實現(xiàn)。設(shè)定不同按鍵控制AD9850模塊輸出2ASK波、2PSK波和退出中斷。

3.4 FM信號的實現(xiàn)

FM調(diào)制是一種使載波頻率按照調(diào)制信號改變的調(diào)制方式。采用間接調(diào)頻法，先積分再調(diào)相實現(xiàn)調(diào)頻，其優(yōu)點(diǎn)是提高了中心頻率的穩(wěn)定度。按照要求的頻偏值間接調(diào)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(zhuǎn)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單片機(jī)并口送入AD9850實現(xiàn)對頻率的控制，即實現(xiàn)FM調(diào)制。

4 軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)主程序

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，對系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法。系統(tǒng)軟件由監(jiān)控軟件、鍵盤和顯示管理模塊、各功能模塊和數(shù)據(jù)模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)初始化包括對各個芯片的初始化。對AD9850初始化是向AD9850寫入設(shè)定的頻率/相位控制字，AD9850按設(shè)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(shè)定。初始化后，LCD將顯示歡迎界面和系統(tǒng)初始狀態(tài)。鍵盤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(yīng)模塊入口，引導(dǎo)進(jìn)入正常工作程序。系統(tǒng)軟件用C語言設(shè)計，相對于匯編語言，C語言對機(jī)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，通過并行方式連續(xù)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(jī)通過8位總線D0～D7將外部控制字裝載到AD9850的數(shù)據(jù)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輸入寄存器，連續(xù)5個WCLK的上升沿讀入5 Byte數(shù)據(jù)到輸入寄存器后，WCLK的邊沿就不再起作用。然后在FQ_UD上升沿到來時，將這40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝載到頻率/相位寄存器。這時，DDS的輸出頻率更新一次，同時將地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器，以等待下一次的控制字輸入，其工作時序如圖6所示。

單片機(jī)通過控制“數(shù)據(jù)鎖存器”和“控制鎖存器”來實現(xiàn)對AD9850模塊的控制，數(shù)據(jù)鎖存器打開時，控制鎖存器關(guān)閉，此時傳輸數(shù)據(jù);控制鎖存器打開時，數(shù)據(jù)鎖存器關(guān)閉，此時根據(jù)AD9850的時序?qū)_CLK、FQ_UD、RESET執(zhí)行相應(yīng)的操作。AD9850模塊的子程序流程圖如圖7所示。

5 系統(tǒng)測試

5.1 正弦波/方波信號指標(biāo)測試

經(jīng)測試，系統(tǒng)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(nèi)的頻率誤差在±0.5%之內(nèi)，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(dá)1 Hz，波形穩(wěn)定，無失真。測試結(jié)果如圖8所示。

5.2 2ASK/2PSK測試

示波器觀察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(diào)制波指標(biāo)測試

利用數(shù)字示波器測試FM性能，載波頻率為200 kHz，10 kHz/20 kHz二級調(diào)節(jié)的最大頻偏測試數(shù)據(jù)達(dá)到10 kHZ/20 kHz的頻偏，具體圖像如圖12和圖13所示。

5.4 AM調(diào)制波指標(biāo)測試

示波器觀察AM信號。載波信號頻率為10 kHz，調(diào)制信號頻率為100 Hz。記錄每次已調(diào)信號的試驗結(jié)果，計算調(diào)制度。調(diào)制系數(shù)的測試及計算數(shù)據(jù)調(diào)幅波的調(diào)制度隨調(diào)制信號幅度變化線性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)10%～100%的調(diào)制度。圖14和圖15所示為載波頻率10 kHz，調(diào)制頻率100 Hz下的AM波，其中，圖14調(diào)制系數(shù)為95%，圖15調(diào)制系數(shù)為45%。

6 結(jié)束語

以芯片AD9850為頻率合成的核心，以單片機(jī)(89C52)為控制和數(shù)據(jù)處理核心，實現(xiàn)了正弦波、方波、調(diào)頻和調(diào)幅等常用波形的產(chǎn)生和輸出，結(jié)合鍵盤和顯示部分，實現(xiàn)了任意頻率值的選擇和顯示，構(gòu)成了一個完整的實用的信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器能在10 Hz～20 MHz范圍內(nèi)以任意頻率輸出，步進(jìn)值可調(diào)，最小步進(jìn)可達(dá)到1 Hz，幅度0.3～5 V;可在固定載波頻率下進(jìn)行數(shù)字鍵控，產(chǎn)生2ASK/2PSK信號;實現(xiàn)了頻偏為10 kHz/20 kHz的調(diào)頻波;采用AD835乘法器，實現(xiàn)常規(guī)雙邊帶調(diào)幅。經(jīng)系統(tǒng)測試和實驗數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。