基于AD9951鍵控信號(hào)源設(shè)計(jì)

    直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)技術(shù)，是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)，與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，它具有頻率分辨率高、頻率切換時(shí)間短、相位變化連續(xù)及相位噪聲低等突出優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用一塊DDS芯片AD9951，設(shè)計(jì)了一型高性能數(shù)字信號(hào)源。系統(tǒng)主要指標(biāo)：由按鍵設(shè)置輸出信號(hào)頻率，頻率范圍O．1kHz～80MHz，頻率分辨率為0．04Hz，頻率穩(wěn)定度為10-6，相位噪聲小于等于一120 dBc／Hz，由按鍵選擇輸出波形為三角波或方波或正弦波。

1 DDS基本原理
    DDS基本原理如圖1所示。

    DDS以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率相位可控的正弦波，主要由系統(tǒng)時(shí)鐘fc、頻率控制寄存器、相位累加器、正弦查詢表、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、低通濾波器(LPF)組成。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼；而相位累加器根據(jù)頻率控制碼在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行相位累加，得到一個(gè)相位值；正弦查詢表則對(duì)該相位值計(jì)算數(shù)字化正弦波幅度(芯片一般通過(guò)查表得到)。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過(guò)高速D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器能得到一個(gè)可用的模擬頻率信號(hào)。DDS輸出信號(hào)的頻率fo是系統(tǒng)時(shí)鐘fc，頻率轉(zhuǎn)換字FTW，以及相位累加器的位數(shù)N的函數(shù)。
    fo=(fc×FTW)／2N
    當(dāng)FTW=1時(shí)，系統(tǒng)輸出頻率即為頻率分辨率△f=fs／2N，通常DDS的相位累加器位數(shù)N都取得很大(32～48)，因此可以得到很高的頻率分辨率。DDS最大輸出頻率為fc／2。

2 AD9951芯片的主要功能特點(diǎn)
    AD9951是Analog Device公司2003年推出的一款高性能DDS芯片，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，最高400 MHz內(nèi)部工作頻率，因此可以輸出最高頻率200 MHz的信號(hào)，內(nèi)置14位高速DAC，32位頻率控制字，相位噪音小于等于120 dBc／Hz@1 kHz，串行I／O控制，1．8V低電壓供電，支持常用的5V邏輯電平，支持時(shí)鐘倍頻模式(4倍頻至20倍頻可編程設(shè)置)，支持內(nèi)部振蕩器與外接振蕩器兩種模式，具有相位調(diào)制能力。AD8851內(nèi)部原理框圖如圖2所示。

    AD9951具有6個(gè)寄存器：0x00控制寄存器1(CFRl，4個(gè)字節(jié))，Ox01控制寄存器2(CFR2，3個(gè)字節(jié))，Ox02振幅比例因子(ASF，2個(gè)字節(jié))，0x03振幅斜率(ARR，1個(gè)字節(jié))，0x04頻率控制字(FTW，4個(gè)字節(jié))，0x05相位偏移字(POW，2個(gè)字節(jié))。

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3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

    本系統(tǒng)核心芯片是AD9551，主控制器是SCT89C52，由于AD9951使用串行I／O控制口，對(duì)于接口資源較少的51系列單片機(jī)，完全可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS芯片的控制，本設(shè)計(jì)通過(guò)矩陣鍵盤(pán)置入波形、頻率等信息，1602液晶實(shí)現(xiàn)頻率、波形實(shí)時(shí)顯示，人機(jī)界面友好。低通濾波器模塊選用七階橢圓低通濾波器，其電路圖如圖4所示。放大電路、積分電路選用150 MHz寬帶運(yùn)放AD8044，比較電路選用專用比較器MAX9011，通過(guò)以上器件可以很好地完成對(duì)于最高達(dá)到80 MHz高頻信號(hào)的處理要求。另外通過(guò)單片機(jī)PO．6，P0．7口控制繼電器1和2可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于輸出信號(hào)波形的選擇(見(jiàn)表1)。

3．2 核心原理圖
    核心原理圖如圖5所示。

    AD9951工作模式配置為單頻模式(Single Tone Mode)，只需將控制寄存器1(CFRl)、控制寄存器2(CFR2)、頻率控制字(FTW)配置完畢，系統(tǒng)即可工作。AD9951支持兩種時(shí)鐘輸入模式，既可以使用芯片內(nèi)置振蕩器，也可以外接有源晶體振蕩器，在本設(shè)計(jì)中，啟用芯片內(nèi)置振蕩器(CLKMODESELECT管腳置高電平)，外接20 MHz無(wú)源晶振。AD9951內(nèi)置鎖相環(huán)(PLL)，支持通過(guò)設(shè)置CFR2<7：3>對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行4×～20×倍頻作為系統(tǒng)時(shí)鐘，在本設(shè)計(jì)中，為降低振蕩器頻率，從而降低其對(duì)信號(hào)干擾，應(yīng)該對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行一定倍頻，而如果倍頻過(guò)高，會(huì)是芯片發(fā)熱量增大，綜合以上兩個(gè)方面考慮，本設(shè)計(jì)采用10×倍頻(CFR2<7：3>設(shè)置為0xOA)，系統(tǒng)時(shí)鐘200 MHz，理論最大輸出頻率100 MHz。與一般DAC不同AD9951內(nèi)置DAC將模擬電源作為參考點(diǎn)，因此輸出口OUT需要經(jīng)上拉電阻連接A1．8 V。AD9951支持2線(2一wire)與3線(3一wire)兩種串行接口模式，本設(shè)計(jì)選用芯片默認(rèn)2線模式，與串行傳送相關(guān)接口為39管腳CSB、36管腳RE—SET、37管腳IOSYNC、1管腳IOUPDATE、40管腳SCLK、41管腳SDIO，分別接單片機(jī)P0．0至P0．5口。AD9951串行口工作具有嚴(yán)格時(shí)序邏輯，其寫(xiě)入時(shí)序如圖6所示。

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4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 系統(tǒng)程序框圖
    系統(tǒng)程序框圖如圖7所示。

4．2 核心部分程序
    本設(shè)計(jì)程序的核心在于單片機(jī)向AD9951寫(xiě)入頻率控制字FTW，下面給出其C程序代碼(省略部分非關(guān)鍵語(yǔ)句)。

5 結(jié) 語(yǔ)
    利用DDS技術(shù)可產(chǎn)生高穩(wěn)定度的正弦波，該系統(tǒng)利用單片機(jī)對(duì)DDS芯片AD9951進(jìn)行控制，簡(jiǎn)單方便，易于操作。同時(shí)該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展空間，在僅僅改動(dòng)軟件的情況下就可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅調(diào)相，在對(duì)硬件進(jìn)行稍稍改動(dòng)即可完成模擬調(diào)頻，OHK，F(xiàn)SK?？傊跀?shù)字信號(hào)源設(shè)計(jì)中使用DDS芯片是信號(hào)源設(shè)計(jì)的重要方向。DDS芯片具有精度高，頻率范圍寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，體積小，功耗低，可編程的特點(diǎn)是當(dāng)前研制信號(hào)源的關(guān)鍵技術(shù)。