基于AD9850的正交信號源的設計*

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 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004;2.桂林電子科技大學 北海職業技術學院，廣西 北海536000;3.桂林電子科技大學 計算機與控制學院，廣西 桂林541004)

正交信號在信號檢測和處理中應用廣泛[1]，設計一種能夠產生頻率高、穩定性好的正交信號源十分重要，本文提出了一種可以產生正弦、余弦波作為正交信號的方法，該方法采用DDS技術，利用單片機控制兩片AD9850來產生頻率、幅值均可調的正交信號,可以產生100 Hz～40 MHz的正弦正交信號和方波正交信號。與傳統的方法相比，該方法具有分辨率高、頻帶寬、成本低、功耗低以及轉換時間短等優點。系統由硬件部分以及軟件部分組成，經過調試，系統可行，穩定可靠。

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、高性能模/數變換器(DAC)和高速比較器3個部分構成，可以實現全數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構成，在它內部存有一個完整周期正弦波的數字幅度信息，每當來一個時鐘，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字幅度信息并輸出,輸出信號經過DAC后輸出模擬信號，模擬信號再經過低通濾波器,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是系統的輸入時鐘；fout是輸出信號頻率。

2 系統構成

通過上述的描述可知，利用AD9850可以產生初始相位和頻率均可控的信號。本設計利用單片機同時控制兩片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。系統框圖如圖2所示。

按鍵部分根據設計需要設置了一個鍵盤，由單片機來控制鍵盤輸入頻率的輸入，通過與AD9850芯片通信產生正交信號,并在LCD1602上顯示頻率值。其中，按鍵分別定義為頻率確認鍵、頻率增鍵、頻率減鍵以及頻率單位切換鍵。系統通電后，通過頻率單位切換鍵、頻率增鍵以及頻率減鍵，可以根據需要對所需信號的頻率進行選取,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 系統硬件設計

如圖3所示，系統的主控芯片采用80C51單片機，采用并行控制來控制兩片AD9850，單片機的P2口與兩片 AD9850的數 據端 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構成一組正弦正交信號。同時，將經過低通濾波器后的信號接到VINP，經過芯片本身內置的高速比較器后,可以輸出方波信號fout3，fout3與fout4構成一組方波正交信號。

圖2 系統構成圖

圖3 系統硬件連接圖

在直接數字頻率合成器中，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

信號幅值大小的調整靠旋轉滑動變阻器實現，AD9850的RSET引腳通過滑動電阻接地，通過可調電阻可以調節AD9850信號輸出端的電流，因此改變內阻的分壓，實現了調節幅值的目的,如圖3所示。

2.2 系統軟件設計

系統的軟件設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，系統流程圖如圖5所示。系統設置了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，頻率確認鍵的功能是將系統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 系統流程圖

系統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控制字進行計算，并寫入AD9850。系統采用并行控制，速度較快，通過連續輸入5次、每次輸入8 bit的方式進行控制。32bit頻率控制字的計算公式如下：

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

3 系統實驗

為了測試系統系統是否運行正常以及能否產生穩定的正弦正交信號和方波正交信號，系統設計完成后，用示波器進行了測試。測試結果顯示，該激勵源可以產生100 Hz～40 MHz的正弦正交信號和方波正交信號，步進值可以通過按鍵在 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范圍內調節，系統輸出頻率值穩定，無明顯失真，可以做為激勵源使用。系統測試數據如表1所示。

該系統可以輸出穩定的正交信號，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，系統穩定，具有很好的應用價值。

本文結合AD9850的特點，用單片機以并行方式同時控制兩片AD9850,比較容易地實現了能夠產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、穩定、產生頻率高的優點。

表1 實驗數據

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

[2]嚴新忠,郭略,楊靜,等.基于 AD9850的可編程信號發生器的設計[J].計算機測量與控制,2006,14(9)：1272-1274.

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

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

[5]王春梅.虛擬數字頻率合成掃頻儀的應用研究[J].計算機應用與軟件,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,2008,27(3)：40-42.