一汽客車(大連)有限公司 王 鵬

直接數(shù)學(xué)頻率合成技術(shù)(DDS)是一種運(yùn)用數(shù)字控制方法來實(shí)現(xiàn)由標(biāo)準(zhǔn)參考頻率源來合成多種高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的頻率源的技術(shù)，在現(xiàn)代電子測量、通信技術(shù)、電力電子控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)與模擬頻率信號源相比具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高、合成范圍寬、頻率與相位連續(xù)可調(diào)、可靈活產(chǎn)生多種信號及在多種變換時(shí)也能保持相位連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。本文以DDS芯片AD9850設(shè)計(jì)一種可編程序雙路全控信號發(fā)生器，通過外設(shè)按鍵可方便調(diào)頻、調(diào)相位，可用于要求高精度、頻率與相位可變的復(fù)雜信號源的現(xiàn)代電子測量、通信系統(tǒng)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等場合[1,2]。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文提出采用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)全數(shù)控信號發(fā)生器的方案，根據(jù)輸出信號波形類型可實(shí)現(xiàn)輸出信號幅度可設(shè)置、頻率可數(shù)控和輸出頻率寬等要求?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對AD9850芯片的32位頻率位以及5位相位位的控制，再經(jīng)放大濾波輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對信號幅值、頻率、相位的全數(shù)字控制。

2.AD9850芯片簡介

AD9850的詳細(xì)說明可參照參考文獻(xiàn)[3]，現(xiàn)將AD9850芯片的頻率控制與相位控制的具體計(jì)算方法說明如下：

2.1 控制字與控制時(shí)序

圖1 信號發(fā)生器總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 并行輸入控制時(shí)序圖

AD9850的頻率/相位控制字共40位，其中32位為頻率調(diào)整字，5位為相位控制字，2位為工廠測試控制和1位為電源休眠控制，應(yīng)用中將1位電源休眠控制、兩位工作方式控制字設(shè)置為“000”。需要注意的是，AD9850芯片的頻率/相位控制字裝載方式可分為并行與串行兩種，串行、并行數(shù)據(jù)格式與時(shí)序圖如圖2、圖3所示。并行裝載時(shí)，40位控制數(shù)據(jù)通過D0-D7的數(shù)據(jù)線，每次送8位數(shù)據(jù)，分5次送完，并行數(shù)據(jù)裝載格式為：w0是5位相位控制與3位掉電、工廠測試，w1-w4的32位的頻率控制位；串行裝載時(shí)，40位的控制數(shù)據(jù)通過D7按每一位串行輸入，串行數(shù)據(jù)裝載格式為：w0-w31的32位頻率控制位，w32-w34的3位工廠測試和掉電控制位，w35-w39的5位相位控制位[3]。

表1 相移與相位控制字對應(yīng)表

圖3 串行輸入控制時(shí)序圖

圖4 DDS信號源硬件接口電路

圖6 實(shí)驗(yàn)波形圖

2.2 輸入、輸出頻率與頻率控制字的計(jì)算

AD9850具有高精度的輸出頻率步長，當(dāng)參考時(shí)鐘為125 MHz時(shí)，其輸出頻率步長為0.0291Hz，頻率控制計(jì)算公式如下[3]：

式中：ΔPHASE為調(diào)制頻率控制字?jǐn)?shù)值（32bits）；fCLKIN為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘頻率；fout為輸出信號頻率。

例如：輸入?yún)⒖碱l率為：125MHz，輸出信號頻率為：1KHz，則按照并行裝載數(shù)據(jù)格式其頻率控制數(shù)據(jù)PHASEΔ為：W1=00H，W2=00H，W3=86H，W4=38H。

2.3 相位控制字的計(jì)算

AD9850提供5位用于控制相位角度，相位控制的精度為：360°/25=11.25°，使其輸出相位可以按11.25°倍數(shù)的相位及其任意組合改變，在每個(gè)參考時(shí)鐘來到時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要按并行或者串行數(shù)據(jù)格式來設(shè)置不同的相位控制字，從而實(shí)現(xiàn)精確的相位控制[3]。相位控制字如表1所示。

圖5 總體程序流程圖

3.AD9850電路與單片機(jī)硬件連接

在本電路中(如圖4)，通過STC89C52RC單片機(jī)產(chǎn)生的兩路控制信號來控制AD9850的全控信號輸出。為了充分發(fā)揮芯片的高速性能并充分利用單片機(jī)I/O資源，采用并行數(shù)據(jù)傳輸方式將2片AD9850的控制數(shù)據(jù)線D0-D7與單片機(jī)P1口通過8位緩沖器74LS244作數(shù)據(jù)緩沖相連接，通過軟件編程按并行時(shí)序來控制實(shí)現(xiàn)兩路相位、頻率全控信號，硬件接口電路如圖4所示。通過P2、P3口接鍵盤來控制電路及P0口接頻率顯示功能，設(shè)計(jì)4個(gè)按鍵，分別實(shí)現(xiàn)步進(jìn)量值、“+”“-”頻率、相位調(diào)節(jié)與功能確認(rèn)，同時(shí)通過1602液晶屏顯示功能信息[5]。其中，DDS芯片的時(shí)鐘控制信號接口如下：第1片為W_clk引腳連接P2.2，fq_up引腳連接P2.1，rest引腳連接P2.0.；第2片為W_clk引腳連接P2.3，fq_up引腳連接P2.4，rest引腳連接P2.5。

4.DDS信號軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 程序總體流程圖

程序總體流程圖如圖5所示。

4.2 軟件編程設(shè)計(jì)

首先對LCD液晶屏、AD9850進(jìn)行初始化，然后通過功能按鍵向AD9850并行輸入計(jì)算頻率、相位信息，同時(shí)顯示在LCD上。參照并行輸入控制時(shí)序圖編寫并行數(shù)據(jù)傳輸程序，具體如下：

5.硬件實(shí)驗(yàn)與調(diào)試注意事項(xiàng)

5.1 硬件實(shí)驗(yàn)

通過硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩路全控信號的頻率、相位輸出情況。在實(shí)際電路中兩路信號源分別輸出：1KHz、相位差90°與500Hz、相位差90°正弦波并且波形穩(wěn)定，具體波形圖如圖6所示。

通過實(shí)驗(yàn)效果證明性能良好，其正弦波輸出頻率的可調(diào)范圍為1Hz-100kHz,兩路輸出正弦波的相位可由使用者按11.25°倍數(shù)任意設(shè)定。

5.2 調(diào)試注意事項(xiàng)

（1）AD9850作為時(shí)鐘發(fā)生器使用時(shí)，必須接地線屏蔽，否則輸出波形不可控或完成失真；輸出頻率要小于參考時(shí)鐘頻率的33%,這樣可避免混疊或諧波信號，從而降低對外部濾波器的要求。

(2)AD9850參考時(shí)鐘頻率最低為1MHz,如果低于此頻率,系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入電源休眠方式。如果高于此頻率,系統(tǒng)恢復(fù)正常。

(3)AD9850本身可以產(chǎn)生方波，但當(dāng)頻率較大時(shí)，產(chǎn)生的正弦波幅度偏小，示波器觀察產(chǎn)生的方波邊沿不好，為方便波形調(diào)節(jié)可采用片外連接電壓比較器將正弦波轉(zhuǎn)化為方波[6]。

6.結(jié)論

本方案設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器為硬件、軟件相結(jié)合，具有成本低、體積小、控制靈活性大(頻率、幅度、相位)、精度高等優(yōu)點(diǎn)。由此可見，基于DDS技術(shù)信號源的設(shè)計(jì)可以滿足不同領(lǐng)域?qū)τ诟呔刃盘栐吹男枰鋺?yīng)用前景十分廣闊。

[1]肖漢波.一種基于DDS芯片AD9850的信號源[J].電訊技術(shù),2003(2):47-50.

[2]龍安國.基于DDS芯片AD9850的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件應(yīng)用,2008(10):14-17.

[3]Analog Devices Inc.CMOS 125MHz Complete DDS Synthesizer AD9850[S].1997.

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

[5]馬忠梅,籍順心.單片機(jī)的C語音應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[6]李巖,高宏.多相位電源信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)[C].中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2006.