吳麗麗， 王 倩

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012）

0 引 言

頻率特性測(cè)試儀（又稱掃頻儀）是一種測(cè)試網(wǎng)絡(luò)頻率特性的電子儀器，它廣泛應(yīng)用于無(wú)線電、電視、雷達(dá)、通信及電子線路和網(wǎng)絡(luò)幅頻特性、相頻特性的測(cè)試中，為分析和改善電路性能提供了便利的手段。

頻率特性測(cè)量的關(guān)鍵是產(chǎn)生頻率步進(jìn)的掃頻信號(hào)源，此信號(hào)源的幅度、頻率及相位應(yīng)該能精確測(cè)定[1]。隨著對(duì)測(cè)量的頻率和精度要求的不斷提高，由傳統(tǒng)的晶體振蕩器所設(shè)計(jì)的掃頻信號(hào)源已不能滿足要求。因此，近年來(lái)出現(xiàn)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)得以廣泛應(yīng)用。DDS采用了全數(shù)字的結(jié)構(gòu)方式，使其具備了以往頻率合成技術(shù)所不具備的特點(diǎn):頻率分辨率高、合成準(zhǔn)確且轉(zhuǎn)換速度快;輸出頻率相對(duì)帶寬較寬;頻率切換時(shí)相位保持連續(xù);易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制功能。對(duì)DDS系統(tǒng)相位噪聲的改善即是對(duì)DDS信號(hào)質(zhì)量的改善，這主要在于對(duì)參考時(shí)鐘振蕩器的合理設(shè)計(jì)。

文中將直接數(shù)字頻率合成器與單片機(jī)兩核心部分結(jié)合，構(gòu)成DDS寬帶掃頻信號(hào)源[2]。

1 直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)原理[3]

DDS的基本結(jié)構(gòu)主要包括相位累加器、相位寄存器和波形查找表。DDS技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路，其工作速度主要受D/A轉(zhuǎn)換器的限制。

DDS的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DDS基本結(jié)構(gòu)

圖中:K——頻率控制字;

n——查找表的地址線位數(shù);

N——相位累加器的字長(zhǎng);

L——查找表的數(shù)據(jù)線位數(shù)，即DAC的分辨率;

fc——系統(tǒng)參考時(shí)鐘。

DDS系統(tǒng)在參考時(shí)鐘 fc的作用下，相位累加器（由N位加法器和N位相位寄存器組成）對(duì)頻率控制字K進(jìn)行線性累加，將結(jié)果的高n位作為查找地址進(jìn)行相位幅度轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生L位幅度量化值，再由數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

相位累加器作為DDS的核心，不斷地對(duì)頻率控制字進(jìn)行累加，累加器的溢出頻率就是輸出信號(hào)的頻率。

DDS的輸出信號(hào)頻率為:

當(dāng)K=1時(shí)，DDS系統(tǒng)輸出頻率最小也就是DDS系統(tǒng)的頻率分辨率，掃頻信號(hào)源頻率分辨率直接取決于DDS的頻率分辨率:

DDS輸出信號(hào)是對(duì)周期信號(hào)的合成，由奈奎斯特采樣定理可知，最大輸出頻率為:

所以K的取值范圍為:

2 AD9850芯片介紹[4]

AD9850是一個(gè)運(yùn)用DDS技術(shù)，結(jié)合比較器和集成在一個(gè)芯片內(nèi)的高速、高性能的D/A轉(zhuǎn)換電路而構(gòu)成的一個(gè)完全數(shù)控的可編程頻率合成器，且AD9850是能產(chǎn)生時(shí)鐘的高集成度芯片，最高可達(dá)125 MHz的工作時(shí)鐘頻率。AD9850具有32位頻率調(diào)整控制字，輸出調(diào)諧頻率分辨率為0.029 1 Hz。當(dāng)給AD9850一個(gè)精確的時(shí)鐘源作為參考頻率源時(shí)，它能產(chǎn)生一個(gè)頻譜很純的頻率或相位可編程的模擬正弦波輸出。

由于AD9850采用了先進(jìn)的CMOS技術(shù)，因此，在+3.3 V和+5 V電源進(jìn)行供電的情況下都可以正常工作。AD9850還具有5個(gè)位的數(shù)控相位調(diào)制，能使輸出相位度數(shù)以 180，90，45，22.5，11.25，或是它們之間任意組合的增量進(jìn)行相位上的調(diào)整與改變?？梢杂貌⑿谢虼械姆绞綄㈩l率調(diào)諧控制字和相位調(diào)制字送入AD9850中。

AD9850具有40位控制字，其中32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠控制，2位用于選擇工作方式?？赏ㄟ^并行方式或串行方式將這40位控制字加載到AD9850。實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)與AD9850的接口可采用并行方式與串行方式，但在單片機(jī)資源允許的情況下，為了充分發(fā)揮芯片的高速性能，最好選擇并行方式。

3 硬件設(shè)計(jì)

采用單片機(jī)對(duì)芯片進(jìn)行控制，掃頻信號(hào)源電路如圖2所示。

圖2 掃頻信號(hào)源電路

此掃頻信號(hào)源由單片機(jī)、DDS、低通濾波器和功率放大器這幾部分組成。掃頻信號(hào)源中的關(guān)鍵器件是低通濾波器，用來(lái)對(duì)輸出信號(hào)中所含的高頻雜散信號(hào)和諧波信號(hào)進(jìn)行濾除[5]。文中掃頻信號(hào)源要求的頻率范圍為1～10 MHz，為減小對(duì)低通濾波器的要求，選50 MHz的時(shí)鐘源，使得諧波信號(hào)頻率遠(yuǎn)離輸出信號(hào)頻率。此設(shè)計(jì)中的無(wú)源橢圓低通濾波器為7階，且選用帶寬為100 MHz的功率放大器A811。

DDS的邏輯和輸出信號(hào)可采用單片機(jī)AT89C52進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[6-7]。AT89C52與AD9850的硬件連接原理如圖3所示。

圖3 單片機(jī)與AD9850的硬件連接原理

其中AD9850的RESET信號(hào)、W-CLK和FQ-UD信號(hào)直接由單片機(jī)的P3口提供。

為達(dá)到提高負(fù)載性能的目的，AD9850的輸出信號(hào)DDS-OUTPUT應(yīng)先接到外部的7階低通濾波器，在低通濾波器中濾除諧波和高頻雜散后再接到功率放大器A811。

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用8位并行接口方式。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將工作方式的選擇位設(shè)定為00，該系統(tǒng)中AD9850的40位控制字高8位應(yīng)設(shè)為00H。

AD9850并行加載方式下，它的時(shí)序關(guān)系要求通過D0～D7這8位總線將外部所給的控制字傳送到寄存器，當(dāng)字輸入時(shí)鐘（W-CLK）的上升沿到來(lái)時(shí)裝入第一個(gè)字節(jié)，同時(shí)，把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，直到連續(xù)5個(gè)W-CLK的上升沿到來(lái)就讀入了5個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到輸入寄存器中，然后W-CLK的邊沿就不起作用了。下一步當(dāng)頻率更新時(shí)鐘（FQ-LID）上升沿到來(lái)時(shí)，就將輸入寄存器中的這40位數(shù)據(jù)裝入到頻率/相位寄存器，此時(shí)DDS輸出的頻率和相位就進(jìn)行一次更新，并將地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器，為下一次的頻率/相位控制字的輸入做好準(zhǔn)備。

軟件流程如圖4所示。

圖4 DDS的軟件流程

程序的功能是要將外部輸入的數(shù)據(jù)變換成AD9850芯片所能接收的格式，并送出相應(yīng)的相位和頻率控制字，從而使AD9850能產(chǎn)生頻率、相位可程控的正弦信號(hào)[8]。

設(shè)計(jì)中要特別注意AD9850的時(shí)序要求，以正確送出邏輯控制字，并注意它的刷新時(shí)鐘。通過端口寫入AD9850的控制字暫時(shí)寄存在I/O緩沖寄存器內(nèi)，這需要一個(gè)從低到高的時(shí)鐘信號(hào)從外部輸入，或通過內(nèi)部32 B的刷新時(shí)鐘把I/O緩沖寄存器內(nèi)的控制字傳送到AD9850的DDS內(nèi)核。

使用單片機(jī)C語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序中對(duì)控制字的傳送部分子程序如下:

5 測(cè)試結(jié)果

波形頻率測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 波形頻率測(cè)試數(shù)據(jù) Hz

表2 幅度測(cè)試數(shù)據(jù)（RL=50 Ω）

6 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)設(shè)計(jì)的信號(hào)源輸出波形進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)能作為數(shù)字頻率測(cè)試儀要求的掃頻信號(hào)源。輸出的正弦波信號(hào)具有頻率穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度及頻率分辨率高等特點(diǎn)。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)DDS的雜散比較高，因此，在應(yīng)用時(shí)要取其雜散低的頻段，或者通過設(shè)計(jì)電路來(lái)減少雜散。總之，DDS芯片因其眾多優(yōu)點(diǎn)而在各類電子設(shè)備，特別是通信、雷達(dá)等領(lǐng)域中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。

[1] 劉君華.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，1999.

[2] 張建文.基于DDS的掃頻信號(hào)發(fā)生器的研究與實(shí)現(xiàn)[D]:[碩士學(xué)位論文].西安:西北工業(yè)大學(xué)，2005.

[3] 白居憲.直接數(shù)字頻率合成[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2007.

[4] 王崢.AD9850的應(yīng)用[J].通信與廣播電視，2001（3）:14-19.

[5] 劉抒珍，童子權(quán)，任麗軍.DDS波形合成技術(shù)中低通橢圓濾波器的設(shè)計(jì)[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，9（5）:22-24.

[6] 石雄.DDS芯片AD9850的工作原理及其與單片機(jī)的接口[J].國(guó)外電子元器件，2001（5）:53-55.

[7] 張慶順，王文理，李金鳳.基于單片機(jī)與DDS的多功能正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（4）:215-218.

[8] 高秀娥，陳文化.應(yīng)用AD9850實(shí)現(xiàn)正弦標(biāo)校信號(hào)的產(chǎn)生[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（1）:51-53.