基于直接數(shù)字頻率合成的正弦信號發(fā)生器的設計

摘要:系統(tǒng)沿用DDS的設計思路，采用單片機控制專用DDS芯片的設計方案，實現(xiàn)了一個頻率、相位、幅度可控的正弦信號發(fā)生器。實驗結果表明，系統(tǒng)的硬件電路結構簡單，輸出信號頻率穩(wěn)定，幅度誤差小。

關鍵詞:DDS;AD9850;MCU;正弦信號;乘法器

中圖分類號:TP3 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2009)32-9073-02

直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesizer)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術，標志著第三代頻率合成技術的出現(xiàn)。目前實現(xiàn)DDS的方式主要有兩種:一種采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array )，另外一種是是采用專用的DDS芯片。本文討論了用美國AD公司的AD9850完成正弦信號發(fā)生器的設計。

1 DDS的基本原理

圖1所示為DDS 的基本框圖。

相位累加器在時鐘fc的控制下以步長FCW作累加，輸出數(shù)字線性相位序列和相位控制字P相加后對波形存儲器ROM尋址，波形存儲器ROM輸出相應的正弦離散序列，再由數(shù)模轉換器DAC將其轉化為階梯模擬電壓波，最后由低通濾波器LPF將其平滑為連續(xù)的正弦信號f0。

設相位累加器的字長為N，頻率控制字為FCW，相位控制加法器的位數(shù)為M，則輸出正弦信號的頻率

f0=(FCW* fc)/2N

輸出正弦信號的相移

θ=(P*2π)/2M

2正弦信號發(fā)生器的結構框圖及工作原理

系統(tǒng)的結構框圖，如圖2所示。

系統(tǒng)的工作原理:單片機MCU根據按鍵的操作，產生相應的頻率控制字FCW、相位控制字P和幅度控制字D，并將相應的信息顯示在液晶顯示屏上。FCW和P控制字以并行方式輸入到DDS芯片AD9850，AD9850產生的正弦階梯模擬電壓和幅度控制字D送入乘法器AD538AD。乘法器完成正弦階梯波的幅度調節(jié)，最后由低通濾波器LPF將其平滑為連續(xù)的正弦信號f0。

3正弦信號發(fā)生器的設計

3.1 AD9850介紹

AD9850內含DDS系統(tǒng)和高速比較器，圖3是AD9850內部功能圖。

AD9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查詢表，查詢表輸出10位正弦幅度碼輸入到DAC，DAC再輸出兩個互補的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻R1調節(jié)，調節(jié)關系為I=32(1.148V/R1)，R1的典型值是3.9KΩ。

3.2 單片機與AD9850的接口電路

單片機采用AT89C52，作為控制中心，它負責DDS控制字的產生和頻率刷新;同時輸出幅度控制信號，調節(jié)DAC轉換器的輸出電壓，從而實現(xiàn)調節(jié)DDS輸出信號的幅度。

AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠(Power down)控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式輸入到AD9850，圖4是控制字并行輸入的控制時序圖。在并行裝入方式中，通過8位總線[A0..D7]將可數(shù)據輸入到寄存器，在重復5次之后再在FQ-UD上升沿把40位數(shù)據從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據寄存器，同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器。接著在W-CLK的上升沿裝入8位數(shù)據，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續(xù)5個W-CLK上升沿后，W-CLK的邊沿就不再起作用，直到復位信號或FQ-UD上升沿把地址指針復位到第一個寄存器。

I/O方式的并行接口電路比較簡單，但占用單片機資源相對較多。AD9850的數(shù)據線D0～D7與P1口相連，F(xiàn)Q_UD和W_CLK分別與P3.0和P3.1相連。單片機與AD9850的接口電路如圖5所示。

3.3幅度調節(jié)電路

AD9850輸出的正弦信號幅度固定，為了方便、大幅調節(jié)輸出信號的幅度，系統(tǒng)設計了幅度調節(jié)電路，如圖6所示。

單片機根據按鍵的操作，輸出數(shù)字幅度控制字D送入串行模轉換器 MAX539，MAX539將幅度控制字D轉換為相應的模擬電壓。MAX538輸出模擬幅度控制信號加到乘法器AD538AD的UY腳。在圖6中 ，AD538AD系統(tǒng)的傳輸函數(shù)U0=UZ*UY/(10V)，AD9850輸出信號的幅度V-OUT為1V，因此正弦信號的輸出幅度值由MXA539幅度控制字D來決定，即實現(xiàn)了輸出信號的幅度調節(jié)。

3.4 LPF電路

AD9850輸出的階梯模擬電壓波，最后由低通濾波器LPF將其平滑為連續(xù)的正弦信號f0。

圖7是 LPF電路。

4 結論

本系統(tǒng)采用專用DDS芯片AD9850加通用單片機AT89S52實現(xiàn)了正弦信號發(fā)生器。實驗證明:該正弦信號發(fā)生器具有精度高、頻率范圍寬、頻率輸出穩(wěn)定、幅度誤差小、體積小和性價比高的特點，可廣泛應用于日常教學和科研工作。

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