昌吉學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系　冉興萍　高　陽(yáng)

基于DDS的程控信號(hào)源的設(shè)計(jì)

昌吉學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系冉興萍高陽(yáng)

設(shè)計(jì)了以52單片機(jī)為主控制器，控制AD9850實(shí)現(xiàn)頻率范圍在100Hz～20MHz的正弦波和方波信號(hào)發(fā)生器。該系統(tǒng)利用鍵盤(pán)作為輸入設(shè)備，LCD12864作為顯示設(shè)備；具有頻率可調(diào)、精度可達(dá)，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)可以廣泛用于教學(xué)科研及各種電子測(cè)量場(chǎng)所。

52單片機(jī)；DDS；AD9850

0　引言

信號(hào)源是一種用途廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，在現(xiàn)代科研、生產(chǎn)實(shí)踐、教學(xué)試驗(yàn)以及各種電子測(cè)控場(chǎng)合需要高精度、頻率可變的信號(hào)源。目前產(chǎn)生信號(hào)的方法有三種，第一種采用傳統(tǒng)的直接頻率合成技術(shù)直接產(chǎn)生所需要的波形。其實(shí)質(zhì)是利用混頻、濾波、分頻及倍頻等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)［1］。但由于采用這些中間技術(shù)使得直接頻率合成器需要用到的石英晶體較多，電路環(huán)路多，從而使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，帶內(nèi)互調(diào)分量多容易產(chǎn)生雜散信號(hào)，合成的信號(hào)頻譜純度不高。第二種是采用鎖相環(huán)路法，其特點(diǎn)是可產(chǎn)生頻率較高的信號(hào)、寬帶在一定范圍內(nèi)可調(diào)。但是鎖相環(huán)是一個(gè)惰性環(huán)節(jié)，其鎖定時(shí)間影響頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，而且其輸出頻率間隔與轉(zhuǎn)換速率之間相互制約［2］。另外，由模擬方法合成的正弦波與方波的性能參數(shù)都很難控制，而且要實(shí)現(xiàn)100Hz～20MHz大范圍的頻率變化相當(dāng)困難，不易實(shí)現(xiàn)。第三種是采用直接數(shù)字式頻率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，簡(jiǎn)稱DDS）。由于DDS具有相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成等優(yōu)點(diǎn)［3］。其突破了模擬合成法的原理，可以實(shí)現(xiàn)不同頻率、相位的任意波形，并且各種參數(shù)均可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)。因此這種方法是設(shè)計(jì)信號(hào)源的首選方法，本文就是利用這種方法實(shí)現(xiàn)程控信號(hào)源的設(shè)計(jì)的。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，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52系列單片機(jī)控制DDS芯片AD9850，通過(guò)鍵盤(pán)模塊作為輸入設(shè)備改變AD9850的頻率控制字以產(chǎn)生頻率可調(diào)的信號(hào)；同時(shí)利用LCD液晶模塊作為輸出設(shè)備顯示輸入信號(hào)的頻率從而驗(yàn)證輸出結(jié)果的正確性。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

2　DDS理論分析與參數(shù)計(jì)算

2.1DDS的基本原理

直接數(shù)字頻率合成（DDS）是一種數(shù)字技術(shù)利用相位概念直接合成波形［4］。DDS的原理框圖如2所示，主要由相位累加器、加法器、波形儲(chǔ)存器ROM、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）和低通濾波器（LPF）組成［5］。

圖2　DDS的原理框圖

其中相位累加器的字長(zhǎng)為N，波形存儲(chǔ)器ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)為D。相位累加器在fc的控制下以步長(zhǎng)K作累加，輸出的N位二進(jìn)制碼與相位控制字P、波形控制字W相加后作為波形ROM的地址［6］，從相應(yīng)的ROM單元中輸出D位的幅度碼S（n）經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成階梯波S（t），最后通過(guò)低通濾波器濾波后就得到合成的信號(hào)波形。文中所描述的是正弦波的合成。

2.2頻率控制字計(jì)算

DDS輸出合成信號(hào)頻率fo與其輸入的參考時(shí)鐘頻率fc成正比，設(shè)波形存儲(chǔ)器ROM的地址為N位，頻率控制字為K，則：

輸出信號(hào)的頻率分辨率為：

由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為：

頻率控制字可由以上公式推出：

當(dāng)外部參考時(shí)鐘頻率為100MHz，輸出頻率需要為1MHz時(shí)，這樣就可以利用以上公式計(jì)算出DDS的需要設(shè)定的控制頻率字K=1× 232/100。

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)具有性價(jià)比高、可靠性高、靈活性好并且具有易于人機(jī)對(duì)話和良好的數(shù)據(jù)處理能力［7］。綜合考慮決定利用單片機(jī)AT89S52作為系統(tǒng)的主控核心。顯示模塊采用漢字圖形液晶顯示模塊SMG12864ZK，與數(shù)碼管相比的一個(gè)最大特點(diǎn)是顯示內(nèi)容豐富?？紤]到系統(tǒng)用單片機(jī)I/O口線較多為了節(jié)省以便留為他用。按鍵模塊采用矩陣式鍵盤(pán)，使用DDS芯片，輸出的信號(hào)含有大量的雜散波，為使產(chǎn)生的信號(hào)平滑，需要對(duì)輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波。設(shè)計(jì)的低通濾波器是采用5階BUTTERWORTH模型。

3.1單片機(jī)與AD9850的接口

DDS芯片AD9850有串行和并行兩種通信方式，為了充分發(fā)揮AD9850的高速特點(diǎn)，本系統(tǒng)利用并行接口實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與AD9850的連接。具體接口電路如圖3所示，單片機(jī)的P2.0～P2.7引腳連接AD9850的數(shù)據(jù)線引腳D0～D7，P1.0引腳連接頻率更新引腳Fq_ud，P1.3引腳連接控制字輸入時(shí)鐘引腳Wclk。

圖3　單片機(jī)與AD9850的接口

3.2鍵盤(pán)接口

利用AT89S52的P1口實(shí)現(xiàn)4*4矩陣鍵盤(pán)接口電路。包括數(shù)字鍵0～9，頻率單位鍵、頻率功能鍵等。具體電路如圖4所示：

圖4　鍵盤(pán)接口電路

3.3顯示模塊接口

顯示模塊接口利用單片機(jī)的P0口來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于P0口作為輸出口使用所以必須接上拉電阻；數(shù)據(jù)通信采用并行通信方式。

圖5　顯示模塊接口電路

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由主程序模塊、信號(hào)產(chǎn)生模塊、鍵盤(pán)模塊及LCD顯示模塊構(gòu)成。其中主程序模塊是整個(gè)系統(tǒng)軟件的核心。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先單片機(jī)調(diào)用初始化程序完成AD9850和LCD的初始化。然后單片機(jī)開(kāi)始掃描鍵盤(pán)看有無(wú)鍵按下，若無(wú)鍵按下則繼續(xù)循環(huán)掃描若有鍵按下則看按下的是數(shù)字鍵還是功能鍵。若先按下頻率功能鍵和單位功能鍵則不執(zhí)行表示有錯(cuò)誤；若按下數(shù)字鍵則執(zhí)行數(shù)字計(jì)算子程序然后按下單位鍵再按下頻率鍵開(kāi)始調(diào)用AD9850計(jì)算控制字和發(fā)送控制字子程序同時(shí)LCD調(diào)用顯示函數(shù)顯示所輸入的頻率值.最后返回初始狀態(tài)循環(huán)掃描鍵盤(pán)，重復(fù)上述過(guò)程。軟件流程圖如圖6所示。

圖6　軟件流程圖

5　實(shí)現(xiàn)結(jié)果

該信號(hào)源能產(chǎn)生100Hz～20MHz的正弦波、方波，頻率可通過(guò)鍵盤(pán)任意輸入而且可在LCD上顯示頻率值從而驗(yàn)證產(chǎn)生波形的正確性。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示：

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)表

通過(guò)上表計(jì)算可得頻率誤差為：±1Hz，由此可見(jiàn)利用DDS技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的程控信號(hào)源可以產(chǎn)生所需要的信號(hào)波形，并且具有精確的頻率。

［1］產(chǎn)新忠，郁略，楊靜等.基于9850的可編程信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2006，14（9）：1272-1274.

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