莫紅枝 甘井中

摘要：信號(hào)源是一類十分重要的儀器，在測(cè)控、通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該文首先對(duì)直接數(shù)字合成（DDS）原理進(jìn)行分析，提出了一種基于DDS技術(shù)的信號(hào)源實(shí)現(xiàn)方案，可輸出正弦波、三角波和方波。最后，對(duì)所設(shè)計(jì)的信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：信號(hào)源；直接數(shù)字合成；AD9833芯片

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）05-1098-04

Design of Signal Source Based on DDS Technology

MO Hong-zhi1， GAN Jing-zhong2

（1.Education Technology Center， Yulin Normal University， Yulin 537000， China； 2.School of Computer Science， Yulin Normal University， Yulin 537000， China）

Abstract： Signal source is very important in modern electronic instruments. It is widely applied in many fields such as communication， navigation， radar， measure and control. This paper firstly analyzes the basic principle of Direct Digital Synthesis （DDS）， and then puts forward a scheme of realizing Signal source by using DDS technology. The Signal source can output sine wave， square wave， triangle wave. Finally， verify the parameters of the Signal source and analysis test results.

Key words： Signal sourc； Direct digital synthesizin； AD9833 MCU

1 概述

信號(hào)源是一類十分重要的儀器，在測(cè)控、通信、導(dǎo)航、雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。利用波形發(fā)生器輸出的信號(hào)，可以對(duì)元器件的性能及參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，也可以作為信號(hào)激勵(lì)源使用。DDS是第三代頻率合成方法，主要通過一個(gè)參考頻率源產(chǎn)生多種頻率。DDS具有高速頻率轉(zhuǎn)換、高分辨率、高穩(wěn)定度、低相位噪聲等特點(diǎn)[2]。隨著數(shù)字頻率集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，直接DDS技術(shù)在很多領(lǐng)域得到廣泛使用。

2 DDS工作原理

DDS的基本原理是，在高速存儲(chǔ)器中放入正弦函數(shù)-相位數(shù)據(jù)表格，經(jīng)過查表操作，將讀出的數(shù)據(jù)送到高速DAC產(chǎn)生正弦波。可編程DDS系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：

圖1 DDS基本原理框圖

可編程DDS系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。參考時(shí)鐘[Fc]為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)的相位增量值，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，把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進(jìn)入線性相位累加，累加至滿量程時(shí)產(chǎn)生一次計(jì)數(shù)溢出，這個(gè)溢出頻率即為DDS的輸出頻率。波形存儲(chǔ)器包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中[00]～[3600]范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC 輸出模擬量。低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量，輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)[3]。

對(duì)于計(jì)數(shù)容量為[2N]的相位累加器和具有[M]個(gè)相位取樣點(diǎn)的正弦波波形存儲(chǔ)器，若頻率控制字為[K]，輸出信號(hào)頻率為[Fout]，參考時(shí)鐘頻率為[Fc]，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為[4]：

[Fout=K*Fc/2N] （1）

輸出信號(hào)的頻率分辨率為

[Fmin=Fc/2N] （2）

由采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為

[Fmax=Fc/2] （3）

頻率控制字可由以上公式推出

[K=Fout*2N/Fc] （4）

3 DDS信號(hào)源的系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，采用單片機(jī)來控制直接數(shù)字頻率合成器芯片（DDS），通過改變DDS內(nèi)部編程控制器所選的操作模式、相位累加器的位數(shù)、頻率控制字，以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號(hào)；在后級(jí)上，采用模擬乘法器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大，最終經(jīng)過橢圓濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波輸出。信號(hào)源可輸出頻率、幅度、偏置均可調(diào)的正弦波、方波和三角波，輸出信號(hào)的相應(yīng)參數(shù)可通過液晶顯示。系統(tǒng)方案框圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)方案框圖

4 硬件設(shè)計(jì)

DDS信號(hào)源硬件由五個(gè)模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數(shù)字合成模塊、放大輸出模塊、濾波模塊構(gòu)成。

4.1 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)選用STC89C52，它是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。

4.2 鍵盤與顯示模塊

鍵盤電路共有十六個(gè)按鍵，使用了單片機(jī)八個(gè)IO口來實(shí)現(xiàn)。顯示模塊選用具體型號(hào)為YJD12864C-1的液晶，附帶中英文字庫，方便用戶對(duì)信號(hào)源輸出的波形，頻率，幅度等進(jìn)行控制。

4.3 數(shù)字合成模塊

AD9833是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，僅需要一個(gè)參考時(shí)鐘、一個(gè)低精度電阻和去耦電容就可產(chǎn)生高達(dá)12.5MHz的正弦波。輸出的頻率和相位可通過軟件編程，易于控制。AD9833具有兩個(gè)頻率選擇寄存器，一個(gè)相位累加器，兩個(gè)相位偏移寄存器和一個(gè)相位加法器。AD9833支持SPI總線，可用單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行讀寫操作[5]。

4.4 輸出放大偏置電路

根據(jù)AD9833輸出電壓幅值為0.5Vpp且偏置電壓為+0.25V，設(shè)計(jì)了偏置調(diào)節(jié)和幅值調(diào)節(jié)功能。該功能由一片模擬乘法器芯片完成，綜合考慮參數(shù)性能后，選用ADI公司的AD835作為乘法芯片。其輸出電壓公式：

W=X×Y-Z。

其中X為AD9833輸出電壓幅值，Y為幅值調(diào)節(jié)電壓，Z為偏置調(diào)節(jié)電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)源的幅度和偏置的調(diào)節(jié)。

4.5 輸出濾波

經(jīng)乘法器后，幅值和偏置已經(jīng)調(diào)節(jié)完成，信號(hào)已基本成型，最終通過濾波器輸出。本設(shè)計(jì)采用7階橢圓濾波器進(jìn)行濾波，通過濾波器設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)。

5 軟件設(shè)計(jì)

采用單片機(jī)STC89C52對(duì)AD9833進(jìn)行控制時(shí)，首先需要進(jìn)行單片機(jī)的端口初始化，AD9833初始化，主程序流程如圖3所示。

5.1 AD9833控制

5.1.1 AD9833的初始化

AD9833設(shè)置不當(dāng)容易導(dǎo)致工作不穩(wěn)定或故障，所以初始化非常重要。在主程序開始的時(shí)候首先初始化AD9833的頻率/相位寄存器，使它的內(nèi)容重新置零。當(dāng)AD9833初始化時(shí)，為了避免DAC產(chǎn)生虛假輸出，控制寄存器的RESET位必須置為1，直到配置完畢，需要輸出時(shí)才將RESET位置為0，RESET為0后的8～9個(gè)MCLK時(shí)鐘周期可在DAC的輸出端觀察到波形。AD9833初始化程序流程如圖4所示。

圖4 AD9833初始化序流程圖

5.1.2 向AD9833寄存器寫入數(shù)據(jù)

AD9833支持三線SPI接口，可通過這三根接口線將數(shù)據(jù)串行寫入AD9833的寄存器。在串行時(shí)鐘SCLK（即程序中的DDS_CLK）的作用下，數(shù)據(jù)以16位的方式加載到AD9833上。 FSYNC引腳（即程序中的DDS_EN）是使能腳，低電平有效。進(jìn)行串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，F(xiàn)SYNC腳必須置低。FSYNC置低后，在16個(gè)SCLK的下降沿?cái)?shù)據(jù)被送到AD9833的輸入移位寄存器。AD9833串行時(shí)序如圖5所示。

圖5 AD9833串行時(shí)序

6 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)前面介紹的設(shè)計(jì)方案，研制了DDS信號(hào)源，使用泰克GW GDS-815C數(shù)字示波器（帶寬100MHz）對(duì)輸出的正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

6.1 頻率特性測(cè)試

測(cè)量方法：通過鍵盤設(shè)置固定的幅度（2VPP），只改變其頻率值，然后用示波器觀察輸出信號(hào)的頻率，填入表1。

表1 頻率特性測(cè)試結(jié)果

[設(shè)置值（Hz）＼&測(cè)量值（Hz）＼&相對(duì)誤差（%）＼&100＼&99＼&1%＼&1000＼&998＼&0.2%＼&10000＼&10000＼&0%＼&100000＼&100300＼&0.3%＼&1000000＼&105000＼&0.5%＼&]

由表1可知，正弦波輸出頻率的誤差約在0.5%～1%之間。產(chǎn)生誤差主要由于兩個(gè)方面的原因：①有源晶振帶來的誤差，加上有源晶振在工作時(shí)由于溫度的變化造成的不穩(wěn)定；②電源干擾，原因是電源并不具有理想的穩(wěn)定性。

6.2 幅度特性測(cè)試

測(cè)量方法：通過鍵盤設(shè)置固定的頻率（頻率1KHz），只改變其幅度值，然后用示波器觀察輸出信號(hào)的幅度值，填入表2。

表2 幅度特性測(cè)試結(jié)果

[設(shè)置值（Vpp）＼&測(cè)量值（V）＼&相對(duì)誤差（%）＼&1.5＼&1.55＼&3.3%＼&2＼&2.09＼&4.5%＼&]

由表2知，正弦波在頻率和偏置不變的情況下，輸出幅度的誤差約在3.3%～4.5%之間。產(chǎn)生誤差主要由于兩個(gè)方面的原因：①高速運(yùn)放的帶寬不夠?qū)挘瑥亩绊懥诵盘?hào)的頻率特性；②地線的走線設(shè)計(jì)不合理，從而造成干擾。

6.3 偏置電壓特性測(cè)試

測(cè)量方法：通過鍵盤設(shè)置固定的頻率和固定的幅度值（頻率100KHz，幅度2VPP），只改變偏置電壓，然后用示波器觀察輸出信號(hào)的偏置電壓值，填入表3。

表3 偏置電壓特性測(cè)試結(jié)果

[設(shè)置值（mV）＼&測(cè)量值（mV）＼&相對(duì)誤差（%）＼&100＼&127＼&27%＼&200＼&239＼&19.5%＼&300＼&350＼&16.7%＼&400＼&463＼&15.8%＼&500＼&572＼&14.4%＼&]

由表3知，在頻率和幅度不變的情況下，正弦波輸出偏置的誤差約在14.4%～27%之間。產(chǎn)生誤差主要由于兩方面的原因：①DA的參考電壓不穩(wěn)定。②由于DA的位數(shù)限制，使得輸出電壓有一定的誤差，經(jīng)后級(jí)電路放大后，使得誤差更大。

7 結(jié)束語

從以上測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的DDS信號(hào)源的頻率、幅度、偏置均可調(diào)，且輸出頻率具有高穩(wěn)定度。該文在對(duì)DDS基本原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出來DDS信號(hào)源的實(shí)現(xiàn)方案，并搭建DDS信號(hào)源的軟硬件平臺(tái)，最后DDS信號(hào)源的參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，方案可行，為DDS信號(hào)源的設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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