基于AD9850構(gòu)成的DDS正弦波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

嘉興技師學(xué)院 黃漢平

中興通訊 邱 波

1.引言

隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字電路的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、相位可控、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高的信號(hào)源在現(xiàn)代電子通訊、航空航天、自動(dòng)控制等領(lǐng)域中是必不可少的，因此DDS信號(hào)源在上述領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

AD9850是ADI公司生產(chǎn)的低功耗直接數(shù)字頻率合成技術(shù)典型產(chǎn)品之一，AD9850具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、相位噪聲低、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。本論文設(shè)計(jì)的是以直接頻率合成（DDS）器件AD9850和MCS-51單片機(jī)為核心，配合必要的外圍接口器件，在單片機(jī)軟件控制下，能夠產(chǎn)生給定頻率和起始相位的附加調(diào)制信息的正弦波信號(hào)發(fā)生器。

2.AD9850的基本工作原理

2.1 AD9850的主要性能指標(biāo)

①最大支持時(shí)鐘頻率為125MHz

②頻率分辨率達(dá)到0.029Hz

③支持兩種供電電壓：+3.3V or +5V

④低功耗：380mW @ 125MHz(+5V)155mW @ 110MHz(+3.3V)

⑤頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：10個(gè)時(shí)鐘周期。比如當(dāng)fs=125MHz時(shí)，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間為：10×1/(125×106)≈0.1μs。

⑥輸出的無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR大于50dB @ 40MHz

⑦具有相位可控

⑧支持并口和串口輸入控制接口

⑨頻率控制字采用32位二進(jìn)制碼

2.2 AD9850引腳說明

AD9850采用了先進(jìn)的CMOS工藝，采用28腳SSOP表面封裝形式，其管腳如圖1所示，引腳功能如表1。

2.3 AD9850內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD9850的芯片功能框圖如圖2所示。AD9850芯片內(nèi)包括高速DDS、10位DAC、頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)輸入寄存器、比較器等，在125MHz參考時(shí)鐘下，AD9850經(jīng)過高速的DDS核心芯片能產(chǎn)生一個(gè)32位頻率調(diào)整控制字可使AD9850的輸出頻率達(dá)0.0291Hz；并能提供了5bits的相位控制位，它能使輸出相位以180°、90°、45°、22.5°、11.25°或是它們?nèi)我饨M合的增量改變。AD9850的電路結(jié)構(gòu)允許產(chǎn)生頻率值是參考時(shí)鐘的一半的輸出，并且輸出的頻率能用數(shù)控方式以每秒產(chǎn)生23000000個(gè)新頻率的速度變化。AD9850芯片內(nèi)的比較器構(gòu)成能接收經(jīng)外部低通濾波后的DAC轉(zhuǎn)換輸出，可以產(chǎn)生一個(gè)低抖動(dòng)的方波輸出的裝置，因此AD9850用作時(shí)鐘發(fā)生器十分方便。頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器、數(shù)據(jù)輸入寄存器在外部的頻率更新時(shí)鐘和字加載時(shí)鐘的控制下進(jìn)行頻率控制字的輸入和更新，使芯片輸出所要求的頻率和相位。

2.4 AD9850的工作原理

AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統(tǒng)由相位累加器和正弦查表組成，其相位累加器由一個(gè)加法器和一個(gè)N位的相位寄存器組成，N一般為24～32；實(shí)質(zhì)上是一個(gè)可變模的計(jì)數(shù)器，即DDS相位增量(△Ψ)的個(gè)數(shù)在計(jì)數(shù)器收到每一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)被存儲(chǔ)起來，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，它就回到初態(tài)并使用相位累加器輸出到相鄰值。頻率控制字能設(shè)置計(jì)數(shù)器的模，它決定了相位增量(△Ψ)的大小。相位增量(△Ψ)在每個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)便在相位累加器中相加，相位增量(△Ψ)越大，則累加器溢出的速度越快，產(chǎn)生的輸出頻率越高。

表1 AD9850各引腳功能表：

AD9850采用32位的相位累加器，AD9850利用改進(jìn)的，獨(dú)有的算法，把14bits已截?cái)嗟南辔焕奂悠鞯妮敵鲛D(zhuǎn)變成適當(dāng)?shù)挠嘞抑担?jīng) 片內(nèi)高速的10bit DAC轉(zhuǎn)換器，可得到模擬正弦波。這個(gè)獨(dú)特的算法使用一個(gè)簡化了的ROM表和DSP技術(shù)等功能，有助于縮小AD9850的體積和功耗。輸入、輸出、參考時(shí)鐘和頻率控制字的關(guān)系如下：

其中：fout：輸出信號(hào)頻率；△Ψ：32位頻率控制字?jǐn)?shù)值；CLKIN：輸入的參考時(shí)鐘頻率。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以單片機(jī)8051為控制核心，通過對AD9805內(nèi)部的頻率控制字和相位控制字進(jìn)行軟件編程，然后通過外接低通濾波器達(dá)到所需性能指標(biāo)的正弦波信號(hào)。

系統(tǒng)分為2個(gè)模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)和DDS模塊。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括8051單片機(jī)、2*2中斷鍵盤矩陣、串口通訊、下載接口。DDS模塊包括核心芯片AD9850和低通濾波器。系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

3.2 AD9850與單片機(jī)接口

AD9850與單片機(jī)接口電路，需要考慮以下幾點(diǎn)：

①AD9850控制字寫入方式選擇。AD9850控制字的寫入方式有串行和并行兩種。并行寫入方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤欤軌蛱嵘麄€(gè)系統(tǒng)的處理速度，為了充分發(fā)揮芯片的高速性能，應(yīng)在單片機(jī)資源允許的情況下盡可能選擇并行方式，所以，本系統(tǒng)采用8051單片機(jī)作為控制核心，通過并行寫入控制字的方式控制AD9850芯片。如圖4所示，AD9850的數(shù)據(jù)線D0～D7與P1口相連。

②FQ UD和W CLK與單片機(jī)連接。AD9850的FQ UD控制信號(hào)和W CLK控制信號(hào)與分別與8051單片機(jī)的P3.0（10引腳）和P3.1（11引腳）相連，所有的時(shí)序關(guān)系均可通過軟件控制實(shí)現(xiàn)。

③RESET與單片機(jī)連接。AD9850的晶體振蕩器采用100MHz，AD9850的復(fù)位（RESET）信號(hào)為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個(gè)參考時(shí)鐘周期。由于單片機(jī)采用12MHz晶振時(shí)，它的高電平時(shí)間能夠滿足AD9850復(fù)位要求，故可將AD9850的復(fù)位端與單片機(jī)的復(fù)位端直接相連。

圖1 AD9850的引腳排列

圖2 AD9850功能框圖

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖4 單片機(jī)與AD9850芯片連接電路

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.3 AD9850應(yīng)用時(shí)需要注意的事項(xiàng)

①AD9850作為時(shí)鐘發(fā)生器使用時(shí)，要避免混疊或諧波信號(hào)落入有用輸出頻帶內(nèi)，并減少外部濾波器的要求，必須要使輸出頻率小于參考時(shí)鐘頻率的33%。

②AD9850參考時(shí)鐘頻率最低為1MHz，低于此頻率，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入電源休眠方式；高于此頻率，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

③印制線路板應(yīng)采用多層板，要有專門的電源層和接地層，而且不能有引起層面不連續(xù)的蝕刻導(dǎo)線條。

④印制線路板的頂層應(yīng)留有帶一定間隙的接地面，以便為表面安裝器件提供方便。

⑤印制線路板的AD9850器件下面不能走數(shù)字信號(hào)線，避免把噪聲耦合進(jìn)芯片；避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)交叉，且它們在電路板相反兩側(cè)上的走線應(yīng)彼此垂直，以減小電路板的饋通影響。

⑥時(shí)鐘等快速開關(guān)信號(hào)應(yīng)利用數(shù)字地屏蔽起來，以免向電路板上的其它器件輻射噪聲，并且絕不應(yīng)靠近基準(zhǔn)輸入或位于封裝之下。

⑦要考慮用良好的去耦電路，分別把高質(zhì)量的陶瓷去耦電容接到各自的接地引——去耦電容應(yīng)盡可能靠近器件。

⑧采用獨(dú)立的模擬電源和數(shù)字電源，AD9850電源線路應(yīng)采用盡可能寬的走線，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺噪聲影響。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的軟件控制，合理安排程序流程尤為重要。系統(tǒng)程序流程圖見圖5。

從低到高的時(shí)鐘信號(hào)從外部輸入，或者由內(nèi)部32位的刷新時(shí)鐘把I／O緩沖寄存器中的控制字傳送到AD9850的DDS內(nèi)核，這樣就可以從寫端口寫入AD9850的控制字暫時(shí)寄存在I／O緩沖寄存器中；所以，程序設(shè)計(jì)中要特別注意AD9850的時(shí)序要求，正確送出邏輯控制字，注意其刷新時(shí)鐘。

4.2 鍵盤掃描及按鍵識(shí)別子程序

在本設(shè)計(jì)中，所設(shè)定的頻率和初始相位都是通過2×2鍵盤輸入的，因此要通過鍵盤掃描和按鍵識(shí)別程序?qū)⑤斎氲逆I值處理后送至AD9850。鍵盤的工作方式一般有循環(huán)查詢工作方式、定時(shí)中斷掃描工作方式和中斷工作方式。

為了提高CPU的工作效率，可以采用中斷的方法掃描鍵盤，即只有在鍵盤有鍵按下時(shí)，才執(zhí)行鍵盤掃描并執(zhí)行該按鍵功能程序。如果無按鍵按下，單片機(jī)將不理睬鍵盤。子程序流程圖如圖6所示。

4.3 控制字寫入程序

并行控制寫入過程如下：FQ UD由高電平轉(zhuǎn)為低電平，單片機(jī)將數(shù)據(jù)W0輸出；之后，單片機(jī)控制W CLK由低電平轉(zhuǎn)為高電平，保持至少3.5ns后，再由高電平轉(zhuǎn)為低電平，此時(shí)寫完控制字W0；然后按照寫入W0過程，依次寫入W1、W2、W3、W4；最后，單片機(jī)控制FQ UD由低電平轉(zhuǎn)為高電平，完成40位數(shù)據(jù)寫入過程，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器W0，為下次寫入頻率/相位控制字作好準(zhǔn)備。控制字寫入流程如圖7所示。

圖6 鍵盤掃描及識(shí)別流程

圖7 并行控制字寫入流程

圖8 1MHz正弦信號(hào)

圖9 10MHz正弦信號(hào)

5.系統(tǒng)測試

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)需要CPU與外圍電路的密切配合。為保證系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)意圖正常工作，必須對硬件電路和程序代碼進(jìn)行仔細(xì)調(diào)試，因此系統(tǒng)的調(diào)試在設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要的地位。

5.1 系統(tǒng)上電前的測試

在系統(tǒng)上電前，需要對硬件電路板進(jìn)行仔細(xì)測試，看電源和地之間是否短路，芯片各引腳之間是否短路，芯片各引腳是否與焊盤連接良好，是否有焊接錯(cuò)誤。主要是采用兩種方法，其一就是利用顯微鏡對電路板的焊接情況進(jìn)行仔細(xì)檢查，看是否有短路，焊接是否可靠；其二就是利用數(shù)字萬用表對各引腳和測試點(diǎn)進(jìn)行檢查，保證電路上沒有短路。

5.2 電源、晶振的測試

電源電路、晶振電路和復(fù)位電路是保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，雖然其調(diào)試相對比較簡單，但也應(yīng)首先保證他們的正常工作。單片機(jī)和AD9850的供電電源是5V。在接入外部電源前。首先要對外部輸入電壓進(jìn)行測量，用萬用表測得5v是否符合要求，經(jīng)測試，電壓值為5V，符合系統(tǒng)供電要求。然后用示波器對兩個(gè)電源進(jìn)行檢測，看其是否干凈，有沒有雜散，實(shí)測5V電壓均很穩(wěn)定。

晶振的調(diào)試就比較簡單，單片機(jī)使用的是12MHz的溫度補(bǔ)償晶振，用示波器檢測后，發(fā)現(xiàn)其工作正常。AD9850使用100MHz的溫度補(bǔ)償晶振，用示波器檢測后，發(fā)現(xiàn)其工作正。

5.3 正弦信號(hào)的產(chǎn)生

從鍵盤輸入正弦信號(hào)的頻率和初始相位值，通過單片機(jī)將輸入的頻率和相位值轉(zhuǎn)換為頻率／相位控制碼，AD9850選擇的是并行數(shù)據(jù)輸入模式，40位的數(shù)據(jù)控制字經(jīng)8位數(shù)總據(jù)線分5次重復(fù)輸入。W CLK端和FQ UD經(jīng)過5次加載后，輸入了40位的數(shù)據(jù)控制字，W CLK端信號(hào)的上升沿將被忽略，數(shù)據(jù)將不再被加載，直到下一個(gè)復(fù)位信號(hào)或者下一個(gè)FQ UD端信號(hào)的上升沿到來為止。在FQ UD端信號(hào)的上升沿將40位的控制字加載進(jìn)入相位累加器，并且將地址指針復(fù)位指向第一個(gè)數(shù)據(jù)輸入地址端。每傳輸一次8位的控制碼后，延時(shí)3.5ns，置單片機(jī)引腳P3.3為l，即產(chǎn)生一個(gè)有效的W CLK上升沿信號(hào)，將控制碼送入AD9850輸入數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，重復(fù)5次后，就可將40位的控制碼全部加載到AD9850的輸入數(shù)據(jù)寄存器當(dāng)中，然后再延時(shí)lns，置單片機(jī)引腳P3.2為l，即產(chǎn)生一個(gè)有效的FQ UD上升沿信號(hào)，再延時(shí)Ins后，將40位的控制碼全部加載到AD9850中的DDS頻率合成部分中，經(jīng)過13至118個(gè)周期后，就可以得到所需要的信號(hào)了。圖8為1MHz的正弦信號(hào)，圖9為10MHz的正弦信號(hào)。

6.結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展需要以及直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一套基于DDS的高精度信號(hào)源，該信號(hào)源能夠產(chǎn)生正弦波信號(hào)波形。經(jīng)過系統(tǒng)的軟件、硬件調(diào)試試驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠產(chǎn)成正弦波形，信號(hào)的頻率、相位、幅度的調(diào)節(jié)精度和抗干擾性等技術(shù)性能指標(biāo)基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過本文設(shè)計(jì)以及對DDS的研究表明，DDS技術(shù)可以應(yīng)用在高速寬帶頻率合成領(lǐng)域，特別是在對頻率切換速度、頻率分辨率及相噪、雜散要求較高的場合，DDS技術(shù)顯示了特殊的優(yōu)勢。本文只是DDS技術(shù)的初步研究，要達(dá)到性能完善，還有很多工作要做。比如電磁兼容的考慮、各種同步信號(hào)的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性問題等等。

[1]萬隆,巴奉麗.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué),2010.

[2]閆玉德,俞虹.MCS:51單片機(jī)原理與應(yīng)用:C語言版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3]陳桂友.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]蔡振江.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[5]何立民.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置與接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990.

[6]彭樹生.PIC單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[7]胡漢才.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[8]秦志強(qiáng).C51單片機(jī)應(yīng)用及C語言程序設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009..