摘 要：DDS技術(shù)是頻率合成中應(yīng)用較多的技術(shù)之一。在對DDS輸出噪聲進(jìn)行理論分析后選擇了AD9851作為信號(hào)源發(fā)生芯片。根據(jù)芯片特性和信號(hào)源人機(jī)交互方便、簡單實(shí)用并能嵌入到采集系統(tǒng)的原則，采用VB程序建立PC機(jī)與AT89S52的串行通信聯(lián)系實(shí)現(xiàn)了對AD9851的控制，在此基礎(chǔ)上完成了正弦波信號(hào)源的制作。把PC機(jī)使用的靈活性與單片機(jī)成熟的技術(shù)聯(lián)系起來，在信號(hào)源制作上做了一次有意義的嘗試。

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關(guān)鍵詞：DDS；AD9851；Visual Basic；AT89S52；串行通信

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0104404

Realization of Sine Signal Source Based on AD9851 and PC

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XIONG Weimin，WU Yunxin，SHEN Hualong

(College of Mechanical Electronical Engineering，Central South University，Changsha，410083，China)

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Abstract：Direct Digital Synthesis (DDS) is one of the most used techniques in frequency synthesis.After theoretical analysis of the output noise of DDS.AD9851 is chosen as the main sine signal generator chip.Based on the characteristics of AD9851 and the principle of the convenient human-computer interaction，simplicity，practicality .as well as capable of being embedded into the collection system.Serial communication between PC and AT89S52 is realized by virtue of Visual Basic program.which can successfully control the AD9851，thus the sine signal generator is achieved.It′s a significant attempt to make a signal generator by combing the flexible PC and the mature technology in single chip.

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Keywords：DDS;AD9851;Visual Basic;AT89S52;serial communication

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1 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，在科研、通信系統(tǒng)、教學(xué)試驗(yàn)以及各種電子測量技術(shù)中，常常離不開一個(gè)精度高、頻率可變的信號(hào)源。目前頻率合成的基本方法主要有3種^[1]：直接式頻率合成(DS)，鎖相環(huán)頻率合成(PLL)以及直接數(shù)字頻率合成(DDS)。由于直接數(shù)字合成與其他合成方法相比具有合成頻率信號(hào)相位連續(xù)、分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度快，同時(shí)還具有低價(jià)和良好的可再制性能，很容易實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻和其他各種相位、幅度調(diào)制，近年得到了迅速的發(fā)展。目前國外生產(chǎn)的DDS芯片大多包含相位累加器、正弦波形存儲(chǔ)器以及DAC，在國內(nèi)使用的DDS芯片多為價(jià)格便宜、雜散性能好的CMOS產(chǎn)品，如Qualcomm公司的Q2220，Q2230等，Analog Devices公司的AD7008，AD9850，AD9851等。使用這些芯片關(guān)鍵是頻率設(shè)定電路的設(shè)計(jì)，他可以采用單片機(jī)形式、可編程器件PLD、常規(guī)的數(shù)字邏輯電路以及直接由PC機(jī)來設(shè)定。單片機(jī)方式設(shè)定是比較成熟的技術(shù)，但人機(jī)交互不方便，很難嵌入到其他系統(tǒng)之中，PLD產(chǎn)品尚處于未定型階段，常規(guī)的數(shù)字邏輯電路雖然簡單，但不夠靈活。由PC機(jī)來設(shè)定比較靈活，而且可以將DDS作為數(shù)控系統(tǒng)的一部分，目前國內(nèi)許多廠家都采用這種方式制作出虛擬儀器成品來，但這需要PCI或ISA總線等多方面的知識(shí)，對設(shè)計(jì)者提出了更高的要求，成本也比較高。如果在制作頻率生成電路時(shí)能把PC機(jī)的靈活性與單片機(jī)成熟的技術(shù)聯(lián)系起來，同時(shí)降低成本，簡化設(shè)計(jì)，必定是一個(gè)有意義的嘗試。

為減少線路連接和節(jié)約單片機(jī)資源，本設(shè)計(jì)采用串行方式控制頻率的改變，其技術(shù)路線如圖1所示。

2 DDS簡介

直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital Synthesi，DDS)是在采樣時(shí)鐘信號(hào)fc的控制下，通過由頻率碼控制的相位累加器輸出相位碼，將存儲(chǔ)于只讀存儲(chǔ)器中的波形量化采樣數(shù)據(jù)值按一定的規(guī)律讀出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波后輸出正弦信號(hào)。頻率控制字(FCW)和時(shí)鐘頻率fc共同決定DDS輸出信號(hào)的頻率fo，他們之間滿足式(1)：

2.1 DDS輸出噪聲分析^[1]

由DDS的原理和Nyquist取樣定理可知，要恢復(fù)出理想的波形，輸出頻率不能超過05fc。在典型的DDS應(yīng)用中，DDS后通常接有一個(gè)低通濾波器LPF，用他來濾出鏡像頻率。而實(shí)際中LPF都有一個(gè)過渡帶的問題，所以為了更好地去除鏡像頻率帶來的雜散，一般將DDS的輸出頻率限定在0～04fc內(nèi)。DDS輸出頻率中雜散信號(hào)主要有以下3個(gè)來源：

(1) 相位截?cái)嗾`差:為了得到很高的頻率分辨率，相位累加器的位數(shù)N通常做得很大，如N=32。

(2) 幅度量化誤差:ROM查詢表的輸出位數(shù)是一個(gè)有效值，這就會(huì)產(chǎn)生幅度量化誤差。

(3) DAC的非線性:包括積分、差分以及DAC的非理想動(dòng)態(tài)特性。DAC輸出信號(hào)中將產(chǎn)生輸出頻率fo的諧波分量及這些諧波分量的鏡像分量，這會(huì)影響DDS輸出頻譜的純度，產(chǎn)生雜散分量。

幅度量化誤差^[2]就是ROM存儲(chǔ)能力有限引起的舍位誤差，也可以認(rèn)為是由DAC分辨率有限引起的誤差。幅度量化誤差在DDS輸出譜上表現(xiàn)為背景噪聲，其幅度遠(yuǎn)小于由相位截?cái)嗪虳AC非線性引起的雜散信號(hào)幅度。DAC非線性引起的雜散實(shí)際上成為了DDS雜散的主要來源，特別是隨著時(shí)鐘頻率的提高，這個(gè)問題已經(jīng)變得越來越明顯。但改善DAC雜散難以從數(shù)學(xué)上給出理論模型，所以很多研究都是停留在經(jīng)驗(yàn)上。描述DDS合成器輸出信號(hào)質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)是SFDR(Spurious-free Dynamic Range)即無雜散動(dòng)態(tài)范圍，其定義是：

SFDR=10lg輸出信號(hào)的功率指定帶寬內(nèi)其余信號(hào)(雜散或諧波)的最高功率(dBc)

下面只對相位截?cái)嗾`差進(jìn)行分析：

設(shè)DDS相位累加器的位數(shù)為N，用于ROM查詢表的有效位字長為W，則舍去位數(shù)為B=N-W，頻率控制字為K。在時(shí)鐘控制下的離散時(shí)刻，無相位截?cái)嗟睦硐隦OM輸出為：

因此累加器相位截?cái)嗾`差是理想信號(hào)的正交調(diào)幅信號(hào)。其中εp(t)的傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式為：

由以上分析可以看出：

(1) 由累加器相位誤差帶來的DDS雜散的分別和大小K，N，B三個(gè)參數(shù)有直接的關(guān)系。不同的頻率K，只要GCD(K，2B)(GCD表示兩數(shù)的最大公約數(shù))相同，這時(shí)輸出信號(hào)雜散的數(shù)量、大小及各雜散相對變化趨勢應(yīng)該相等;

(2) 相位截?cái)辔辉叫。畲蠼財(cái)嘞辔徽`差雜波的幅值越小。

DDS相位截?cái)嗾`差由DDS系統(tǒng)原理決定，一旦DDS芯片確定，外圍電路不能對該雜波進(jìn)行有效的改善。他的解決辦法可以是選用大N和大W的器件，然后對頻率控制字K進(jìn)行精心選擇。

以上分析為設(shè)計(jì)DDS信號(hào)源和選用DDS芯片提供了理論依據(jù)。由此我們選用美國AD公司生產(chǎn)的DDS芯片AD9851。他有32 b加器、正弦/余弦查找表、10位D/A轉(zhuǎn)換器、SFDR大于43 dB及控制電路集成在一個(gè)芯片上，具有很高的性能價(jià)格比。

2.2 AD9851簡介

AD9851采用CMOS技術(shù)生產(chǎn)的高集成度DDS芯片，他的最高輸入時(shí)鐘頻率為180 MHz，同時(shí)可選擇是否啟用內(nèi)含的6倍頻乘法器。他具有簡化的控制接口，允許串/并行異步輸入控制字，該器件的工作電源范圍為27～525 V，其掉電方式時(shí)的功耗為4 mW@+27 V。AD9851的自由寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)大于43 dB(70 MHz輸出)，采用極小的28腳貼片式封裝。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能如圖2所示^[3]。

其中：fOUT 為輸出頻率，ΔPhase為輸出頻率的控制字，System Clock為外接晶振頻率。AD9851內(nèi)部有5個(gè)輸入寄存器，儲(chǔ)存來自外部數(shù)據(jù)總線的32位頻率控制字，5位相位控制字，1位6倍參考時(shí)鐘倍乘器使能控制，1位電源休眠功能(power down)控制和1位邏輯0。寄存器接收數(shù)據(jù)的方式有并行和串行兩種方式。串行方式如圖3(a)所示， W[CD#*2]CLK上升沿把引腳D7上的數(shù)據(jù)按位串行移入到輸入寄存器，40位輸入結(jié)束后，任何W[CD#*2]CLK上升沿到來都會(huì)造成數(shù)據(jù)順序移出并導(dǎo)致原來數(shù)據(jù)無效，此時(shí)FQ[CD#*2]UD端的上升脈沖就可以更新40位數(shù)據(jù)芯片的輸出頻率和相位。值得注意的是在選擇串行模式之前應(yīng)該將默認(rèn)的并行方式通過一定的脈沖時(shí)序改變過來，其時(shí)序如圖3(b)所示。

3 正弦信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件連接

AD9851的引腳可直接與多種類型單片機(jī)相連，本文選用Atmel公司的單片機(jī)AT89S52。圖4為AD9851串行模式下的總體原理圖?？紤]成本和設(shè)計(jì)需求，選用10 MHz溫補(bǔ)晶振作為AD9851的外部參考時(shí)鐘，不對相位進(jìn)行控制。PC機(jī)發(fā)出的控制數(shù)據(jù)通過RS 232口經(jīng)芯片MAX232轉(zhuǎn)換與單片機(jī)串行通信。P10，P11，P12，P13分別接D7，W[CD#*2]CLK，F(xiàn)U[CD#*2]UD和RESET引腳進(jìn)行控制。AD9851輸出頻譜純凈的正弦信號(hào)，輸出經(jīng)有源低通濾波放大后得到頻率連續(xù)可調(diào)且符合設(shè)計(jì)要求的正弦波^[4]。如果由引腳VINP進(jìn)入AD9851內(nèi)部高速比較器，最后由引腳VOUTP輸出可以得到穩(wěn)定性好的方波。該方波經(jīng)過相應(yīng)的功能處理電路后，即可得到三角波、鋸齒波、斜波、脈沖等信號(hào)^[5]。

3.2 軟件編程

軟件編程是根據(jù)系統(tǒng)需要、人機(jī)交互合理、方便以及AD9851的串行控制方式進(jìn)行的，他分為上位機(jī)程序和單片機(jī)程序，其具體過程如下：

上位機(jī)采用簡單易學(xué)、功能強(qiáng)大的VB 60編寫^[6]，Visual Basic軟件提供了一個(gè)MSComm控件，可以使我們輕易的完成對串口通信的控制。其程序流程和對話框分別如圖5、圖6所示。通過人機(jī)界面將參數(shù)設(shè)定好之后按確定，VB程序?qū)⒏鶕?jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算出控制字，通過RS 232串口通信傳給單片機(jī)，并等待單片機(jī)的返回值予以校核和顯示。如果為掃頻模式，程序?qū)丛O(shè)定的時(shí)間間隔與步長重新計(jì)算新的控制字，重復(fù)與單片機(jī)的通信。

上位機(jī)編程的關(guān)鍵問題是控制字的計(jì)算與傳輸，控制字本身包括兩部分，即頻率控制字(二進(jìn)制位表示時(shí)為32位)和相位控制字(二進(jìn)制表示時(shí)為8位)。而RS 232串口按字節(jié)來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)值不能超過255，顯然控制字難以一次性傳輸。很自然地想到先將控制字按二進(jìn)制形式計(jì)算出各位，然后每8位組成一組計(jì)算出相應(yīng)的十進(jìn)制值，分5次傳輸，問題得到了很好的解決。

單片機(jī)程序采用C語言編寫，主程序及串行加載子程序流程^[7]如圖7、圖8所示。單片機(jī)復(fù)位后對串口通信與AD9851進(jìn)行初始化，然后采用查詢方式等待上位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，得到后將數(shù)據(jù)返回PC機(jī)進(jìn)行校核。之后調(diào)用串口控制子函數(shù)控制AD9851的頻率輸出，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。值得注意的是串口子程序采用移位比較的方式得到各控制字位的實(shí)際值。

4 正弦信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用

筆者研究的振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)由于試件固有頻率過高，一階頻率達(dá)到了18208 Hz，二階為50464 Hz，一般的機(jī)械式激振裝置難以達(dá)到頻率的要求，故選用電動(dòng)式激振器激振。信號(hào)發(fā)生器控制的數(shù)字化、自動(dòng)化以及作為數(shù)控系統(tǒng)

的一部分對整個(gè)系統(tǒng)具有重要意義。他的基本組成原理如圖9所示。根據(jù)功率放大器、激振器的使用條件以及振動(dòng)時(shí)效的特點(diǎn)，信號(hào)發(fā)生器應(yīng)該具備：頻率范圍0～2 000 Hz；

按設(shè)定參數(shù)進(jìn)行定頻、掃頻；

定時(shí)功能；

可以嵌入到振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)時(shí)效的自動(dòng)化等特點(diǎn)。

將所設(shè)計(jì)的正弦信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用到此系統(tǒng)，設(shè)定參數(shù)后PC機(jī)發(fā)出通信數(shù)據(jù)，單片機(jī)在接收后控制AD9851產(chǎn)生既定頻率下的正弦信號(hào)，驅(qū)動(dòng)激振器激振，延時(shí)一段時(shí)間待激振器穩(wěn)定下來，VB程序調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序?qū)⑻囟l率下試件的振動(dòng)情況記錄下來，經(jīng)過一定的處理，采集數(shù)據(jù)可以作為振動(dòng)時(shí)效效果的一種依據(jù)，該過程實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)時(shí)效的自動(dòng)化。

5 結(jié) 語

本文以AD9851為核心，通過PC機(jī)與單片機(jī)間的串行通信設(shè)計(jì)了一臺(tái)人機(jī)交互方便，簡單實(shí)用的正弦信號(hào)發(fā)生器。通過調(diào)試，我們得到了所需要的正弦波信號(hào)，試驗(yàn)證明本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定要求，與振動(dòng)時(shí)效系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了很好的融合。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］鄭毅.高精度數(shù)字頻率綜合器(DDS)的研究與應(yīng)用[D].武漢:武漢理工大學(xué)，2001.

［2］黃蕾.基于單片機(jī)的直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)的應(yīng)用研究[D].長沙:湖南大學(xué)，2005.

［3］伍剛，張小平.有源低通二階濾波器的設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化，2005，24(4):85-88.

［4］郭勇，肖明清，譚靖，等.DDS芯片AD9851及其應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2001，28(2):54-56.

［5］范逸之，陳立元.Visual Basic 與RS 232串行通信控制[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［6］李群芳，張士軍，黃建.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

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作者簡介 熊衛(wèi)民 男，1981年出生，湖南雙峰縣人，在讀碩士研究生。主要從事機(jī)械振動(dòng)和振動(dòng)時(shí)效方面的研究。

吳運(yùn)新 男，1963年出生，廣東興寧人，教授，博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、機(jī)電控制等。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>