基于AD9850鎖相環頻率合成器的研究與設計

章小寶

摘要:本系統以51單片機為控制核心,由正弦信號發生模塊組成。采用數控的方法控制DDS芯片AD9850產生1Hz-35MHz正弦信號,1Hz-1MHz方波,輸出方波頻率為500KHz時上升沿和下降沿有點失真,幅度為5V,最高輸出正弦波頻率為35MHz無失真,幅度為0.6V。測試信號發生模塊產生的1kHz正弦信號。

關鍵詞:直接數字頻率合成,AD9850

1引言

1.1課題研究的意義與作用

1971年,美國學者j.Tierney等人撰寫的“A Digital Frequency Synthesizer”-文首次提出了以全數字技術,從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。限于當時的技術和器件水平,它的性能指標尚不能與已有的技術相比,故未受到重視。近10年間,隨著微電子技術的迅速發展,直接數字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS[2]或DDFS)得到了飛速的發展,它以有別于其它頻率合成方法的優越性能和特點成為現代頻率合成技術中的姣姣者。具體體現在相對帶寬寬、頻率轉換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續、可產生寬帶正交信號及其他多種調制信號、可編程和全數字化、控制靈活方便等方面,并具有極高的性價比。

1.2 DDS的研究現狀及發展趨勢

在頻率合成(FS, Frequency Synthesis)領域中,常用的頻率合成技術有模擬鎖相環、數字鎖相環、小數分頻鎖相環(fractional-N PLL Synthesis)等,直接數字合成(Direct Digital Synthesis-DDS)是近年來新的FS技術。單片集成的DDS產品是一種可代替鎖相環的快速頻率合成器件。DDS是產生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優先選用技術。DDS以穩定度高的參考時鐘為參考源,通過精密的相位累加器和數字信號處理,通過高速D/A變換器產生所需的數字波形(通常是正弦波形),這個數字波經過一個模擬濾波器后,得到最終的模擬信號波形。如圖1所示,通過高速DAC產生數字正弦數字波形,通過帶通濾波器后得到一個對應的模擬正弦波信號,最后該模擬正弦波與一門限進行比較得到方波時鐘信號。

DDS系統一個顯著的特點就是在數字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外,DDS的固有特性還包括:相當好的頻率和相位分辨率(頻率的可控范圍達μHz級,相位控制小于0.09°),能夠進行快速的信號變換(輸出DAC的轉換速率300百萬次/秒)。這些特性使DDS在軍事雷達和通信系統中應用日益廣泛。

其實,以前DDS價格昂貴、功耗大(以前的功耗達Watt級)、DAC器件轉換速率不高,應用受到限制,因此只用于高端設備和軍事上。隨著數字技術和半導體工業的發展,DDS芯片能集成包括高速DAC器件在內的部件,其功耗降低到mW級(AD9850在3.3v時功耗為650mW),功能增加了,價格便宜。因此,DDS也獲得廣泛的應用:現代電子器件、通信技術、醫學成像、無線、PCS/PCN系統、雷達、衛星通信。

2DDS信號源系統設計[1]

2.1正弦波生成方案

采用單片機最小系統與AD9850并行接口方式對時鐘頻率進行分頻控制,再連接鎖相環,是輸出波形的頻率更加穩定。如圖2所示,AD9850內含可編程DDS系統和高速比較器,能實現全數字編程控制的頻率合成。AD9850是以高速的直接數字合成器(DDS)為核心根據設定的32位頻率控制字和5位相移控制字,可產生0.029Hz到62.5MHz的正弦波信號和標準的方波信號,而且DDS芯片轉換速度快、性能價格比高、體積小、輸出波形穩定度,精度高、分辨率高,而且輸出波形的頻率、相位可控,能達到題目預期的效果,操作方便,易于實現。

2.2正弦波的生成

本設計中單片機[3]最小系統中的AT89S52與AD9850芯片的接口采用的是8位并行接口方式。AD9850的頻率/相位控制字一共有40位,并行加載時,要連續加載5次,D7位最高位,D0位最低位。頻率相位控制字的第一個8位中的5位用來控制相位的調制,1位用來低功耗,2位用于裝載格式。第2個字節到第5個字節組成32位的頻率控制字,其輸出信號的頻率f=fclk*wd/232 ,其中f 為32位頻率控制字的值,fclk為工作時鐘。AT89S52的P2口(P2.0腳～P2.7腳)與AD9850的數據口(D0腳～D7腳)相接,AD9850的第7腳WCLK是加載時鐘,與引腳FQUD配合,完成數據加載,FQUD為頻率/相位更新控制。用單片機的P1.3與P1.1分別與AD9850的WCLK和FQUD相連接,模擬控制字寫入時鐘來控制數據的定入。本設計中AD9850選用的時鐘為100MHz。AD9850波形的輸出頻率可以達到幾十MHz。

利用AT89S52來進行鍵盤控制1602字符顯示屏來顯示。初始化時,由芯片AT89S52控制的1602字符顯示屏顯示“2008 劉濤制作”,當按下S1建時,步進值為1KHZ;按下S2建時,步進值為負1KHZ;按下S3建時,步進值為10KHZ;按下S4建時,步進值為負10KHZ;按下S5建時,步進值為100KHZ;按下S6建時,步進值為負100KHZ;于此同時1602字符顯示屏將實時顯示輸出頻率值,顯示當前步進值,顯示輸出頻率的單位。

3軟件設計

3.1軟件功能的實現

程序全部由單片機的C語言編寫,由正弦信號發生模塊、1602顯示模塊、鍵盤控制模塊、漢字輸入歡迎詞模塊以及測試信號發生模塊組成。采用數控的方法控制DDS芯片AD9850產生0Hz-35MHz正弦信號,1Hz-1MHz方波,輸出方波頻率為500KHz時上升沿和下降沿有點失真,幅度為5V,最高輸出正弦波頻率為35MHz無失真,幅度為0.6V。測試信號發生模塊產生的1kHz正弦信號。

3.2 軟件流程圖

3.2.1 總設計流程圖

在對系統初始化后,LED顯示2008 劉濤,同時AD9850都產生1KHz的正弦波和方波。作為信號發生器的AD9850將在鍵盤的控制下產生預定的正弦波和方波。設計流程圖如圖3-1所示。

3.2.2 外設流程圖

作為人機界面的鍵盤和1602字符顯示屏通過AT89S52來控制。 能識別鍵盤上按下鍵的信號;可充分提高CPU的工作效率。 AT89S52接口方便,由它構成的標準鍵盤/顯示器接口在微機應用系統中使用越來越廣泛。鍵盤和LED的軟件流程圖如圖3-2所示。

3.2.3 AD9850流程圖

由于沒有對信號進行調幅(AM)、調頻(FM),對高頻載波進行調幅或調頻。因此用一片AT89S52來控制AD9850,接口已經足夠,所以沒利用8155擴展I/O口。如圖3-3。

4結束語

本次設計主要涉及到電路設計、硬件電路的調試以及程序的調試等過程,需要對51系列單片機、DDS、信號發生器系統設計的了解,分析電路等方面的能力,并且需要對AT89C51、AD9850、等所用芯片有所了解。為了發揮其更大的功能,還需深入研究。

參考文獻:

[1]謝自美.電子線路設計·實驗·測試[M].武漢:華中理工大學出版社,1994:89-117.

[2]李友平.直接數字頻率合成器(DDS)的原理與設計[J].電聲技術,1992(11).

[3]馬忠梅,籍順心.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2003:102-109.