潘 凱 ，朱名日 ，姚 鑫 ，劉文彬 ，鄭丹平 ，周光祥

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動化學(xué)院，廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學(xué) 北海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 北海536000;3.桂林電子科技大學(xué) 計算機(jī)與控制學(xué)院，廣西 桂林541004)

正交信號在信號檢測和處理中應(yīng)用廣泛[1]，設(shè)計一種能夠產(chǎn)生頻率高、穩(wěn)定性好的正交信號源十分重要，本文提出了一種可以產(chǎn)生正弦、余弦波作為正交信號的方法，該方法采用DDS技術(shù)，利用單片機(jī)控制兩片AD9850來產(chǎn)生頻率、幅值均可調(diào)的正交信號,可以產(chǎn)生100 Hz～40 MHz的正弦正交信號和方波正交信號。與傳統(tǒng)的方法相比，該方法具有分辨率高、頻帶寬、成本低、功耗低以及轉(zhuǎn)換時間短等優(yōu)點。系統(tǒng)由硬件部分以及軟件部分組成，經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)可行，穩(wěn)定可靠。

1 AD9850工作原理

AD9850是美國ADI公司的一款DDS芯片，它的最高時鐘為125 MHz，主要由可編程 DDS系統(tǒng)、高性能模/數(shù)變換器(DAC)和高速比較器3個部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成[2]，其原理框圖如圖1所示。正弦查找表由一個ROM構(gòu)成，在它內(nèi)部存有一個完整周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每當(dāng)來一個時鐘，相位寄存器以一個△phase遞增，其輸出與相位控制字相加后作為正弦查找表的地址，查找表把地址信息映射成正弦波的數(shù)字幅度信息并輸出,輸出信號經(jīng)過DAC后輸出模擬信號，模擬信號再經(jīng)過低通濾波器,生成正弦信號[3]。

圖1 AD9850工作原理圖

輸出的信號頻率：

其中,△phase是頻率控制字的值；fclk是系統(tǒng)的輸入時鐘；fout是輸出信號頻率。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

通過上述的描述可知，利用AD9850可以產(chǎn)生初始相位和頻率均可控的信號。本設(shè)計利用單片機(jī)同時控制兩片AD9850，在同一時間分別向兩片AD9850寫入相差90°的相位值，即可輸出一組正交信號。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

按鍵部分根據(jù)設(shè)計需要設(shè)置了一個鍵盤，由單片機(jī)來控制鍵盤輸入頻率的輸入，通過與AD9850芯片通信產(chǎn)生正交信號,并在LCD1602上顯示頻率值。其中，按鍵分別定義為頻率確認(rèn)鍵、頻率增鍵、頻率減鍵以及頻率單位切換鍵。系統(tǒng)通電后，通過頻率單位切換鍵、頻率增鍵以及頻率減鍵，可以根據(jù)需要對所需信號的頻率進(jìn)行選取,單位可在Hz、kHz和MHz之間切換，頻率的范圍可在100 Hz～40 MHz之間隨意選取。

單片機(jī)通過并行方式與兩片AD9850通信，控制兩片AD9850的正弦波形的輸出頻率，通過調(diào)整輸出電流的大小來改變輸出波形的幅值。正弦信號通過橢圓低通濾波器可以濾除噪音信號。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖3所示，系統(tǒng)的主控芯片采用80C51單片機(jī)，采用并行控制來控制兩片AD9850，單片機(jī)的P2口與兩片 AD9850的數(shù) 據(jù)端 口 相 連 ，P3.0、P3.1、P3.2分 別 接AD9850-1的 FQ_UD、W_CLK、 RESET， P3.3、P3.4、P3.5分別接 AD9850-2的 W_CLK、FQ_UD、RESET。

AD9850-1的輸出接入橢圓低通濾波器后輸出正弦信號fout1，fout1與fout2構(gòu)成一組正弦正交信號。同時，將經(jīng)過低通濾波器后的信號接到VINP，經(jīng)過芯片本身內(nèi)置的高速比較器后,可以輸出方波信號fout3，fout3與fout4構(gòu)成一組方波正交信號。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖3 系統(tǒng)硬件連接圖

在直接數(shù)字頻率合成器中，低通濾波器是重要的組成部分，低通濾波器可以濾除信號的高頻信號，只通過低頻有用信號就能達(dá)到信號除雜的目的[4]。通過仿真，五階橢圓低通濾波器能夠平滑信號，并且能有效抑制DDS的輸出雜散，因此選用五階橢圓低通濾波器。電路圖如圖4所示。

圖4 橢圓低通濾波器

信號幅值大小的調(diào)整靠旋轉(zhuǎn)滑動變阻器實現(xiàn)，AD9850的RSET引腳通過滑動電阻接地，通過可調(diào)電阻可以調(diào)節(jié)AD9850信號輸出端的電流，因此改變內(nèi)阻的分壓，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)幅值的目的,如圖3所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分為對按鍵的處理部分和對兩片AD9850頻率控制字的寫入部分，系統(tǒng)流程圖如圖5所示。系統(tǒng)設(shè)置了4個按鍵，分別為頻率增鍵、頻率減鍵、頻率單位切換鍵以及頻率確認(rèn)鍵。頻率增減鍵分別控制頻率的增加和減小，頻率單位切換鍵可以使頻率的單位在1 Hz、100 Hz、1 kHz、1 MHz中自由選擇，頻率確認(rèn)鍵的功能是將系統(tǒng)計算后的頻率控制字信號通過并行方式同時寫入兩片AD9850中。

圖5 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)通過并行方式將頻率控制字同時寫入兩片AD9850中，AD9850包含 40 bit頻率控制字，其中 5 bit用于相位控制，32 bit用于頻率控制，1 bit用于電源休眠控制，2 bit用于選擇工作方式[5]。軟件部分主要對用于頻率控制的32bit控制字進(jìn)行計算，并寫入AD9850。系統(tǒng)采用并行控制，速度較快，通過連續(xù)輸入5次、每次輸入8 bit的方式進(jìn)行控制。32bit頻率控制字的計算公式如下：

其中,fsw為頻率控制字，f0為設(shè)定的頻率值[6]。頻率控制字寫入的程序如下：

3 系統(tǒng)實驗

為了測試系統(tǒng)系統(tǒng)是否運行正常以及能否產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦正交信號和方波正交信號，系統(tǒng)設(shè)計完成后，用示波器進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，該激勵源可以產(chǎn)生100 Hz～40 MHz的正弦正交信號和方波正交信號，步進(jìn)值可以通過按鍵在 1 Hz、100 Hz、1 kHz、1 MHz中可選，幅度值可通過滑動電阻器在0～5 V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸出頻率值穩(wěn)定，無明顯失真，可以做為激勵源使用。系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)如表1所示。

該系統(tǒng)可以輸出穩(wěn)定的正交信號，可以作為一般信號檢測和處理的正交信號激勵源，產(chǎn)生不同頻率、不同幅值的正弦正交信號以及方波正交信號，系統(tǒng)穩(wěn)定，具有很好的應(yīng)用價值。

本文結(jié)合AD9850的特點，用單片機(jī)以并行方式同時控制兩片AD9850,比較容易地實現(xiàn)了能夠產(chǎn)生正弦正交信號和方波正交信號的高頻激勵信號源。與其他方法相比，該信號源具有快速、穩(wěn)定、產(chǎn)生頻率高的優(yōu)點。

表1 實驗數(shù)據(jù)

[1]熊國海,鄭東,周亦山.正交信號發(fā)生器的設(shè)計[J].電氣自 動 化,2009(2)：73-74.

[2]嚴(yán)新忠,郭略,楊靜,等.基于 AD9850的可編程信號發(fā)生器的設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2006,14(9)：1272-1274.

[3]郭永彩,張春榮,高潮.基于 DDS技術(shù) AD9850的激勵信號源設(shè)計[J].微計算機(jī)信息,2012,28(1)：12-14.

[4]吳海超,邢斯瑞.基于 AD9850的嵌入式信號源設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,32(16)：47-50.

[5]王春梅.虛擬數(shù)字頻率合成掃頻儀的應(yīng)用研究[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2013,30(4)：330-333.

[6]馮月芹.基于AD9850與DDS的電平振蕩器的信號源的研制[J].國外電子測量技術(shù),2008,27(3)：40-42.