基于DDS的可程控信號源的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)*

劉尚富

(1.海軍工程大學(xué)　武漢　430000)(2.海軍蚌埠士官學(xué)校　蚌埠　233012)

基于DDS的可程控信號源的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)*

劉尚富1,2

(1.海軍工程大學(xué)武漢430000)(2.海軍蚌埠士官學(xué)校蚌埠233012)

摘要根據(jù)靶場實(shí)際需要，設(shè)計了一個通過AD7008及AD7520芯片來實(shí)現(xiàn)的可程控信號源。文章詳細(xì)介紹了該方案的軟件和硬件的設(shè)計要點(diǎn)以及在調(diào)試中應(yīng)注意的問題。

關(guān)鍵詞可程控信號源; AD7008; 頻率控制; AD7520; 幅度控制

Class NumberTP212

1引言

在靶場一些電子裝備的電路板故障檢測中，往往需要頻率、幅度都能由計算機(jī)自動調(diào)節(jié)的信號源。采用諸如MAX038信號發(fā)生器芯片外加電阻及切換開關(guān)等器件，雖然也能調(diào)節(jié)頻率和幅度，但這種調(diào)節(jié)是離散的，且電路復(fù)雜，使用不方便，而采用直接數(shù)字合成(DDS) 芯片AD7008及外加D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7520構(gòu)成的可控信號源，可產(chǎn)生正弦波、調(diào)頻波、調(diào)幅波及方波等。并且其信號的頻率和幅度可由計算機(jī)來精確控制，調(diào)節(jié)方便[1]。

2硬件電路總體設(shè)計

為了在靶場設(shè)備電路板故障檢測中使用方便，我們把信號源設(shè)計為插入PC機(jī)中的插卡式結(jié)構(gòu)。PC機(jī)通過微機(jī)接口控制電路發(fā)送所需要信號的頻率和幅度信息，直接數(shù)字合成芯片AD7008產(chǎn)生所需頻率的正弦或調(diào)頻、調(diào)幅信號，送到AD7520構(gòu)成的數(shù)控衰減電路控制輸出信號的幅度，最后輸出一個頻率和幅度都可控的信號。電路框圖如圖1所示。

圖1　信號源硬件框圖

3器件簡介

ADI公司推出的AD7008器件采用了先進(jìn)的直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)，它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能10位DAC及與微機(jī)串行、并行接口及控制電路，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器。接上精密時鐘源，AD7008可產(chǎn)生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。根據(jù)需要還可以對此信號進(jìn)行調(diào)頻、調(diào)相或幅度控制。此輸出信號可直接作為頻率可變化的信號源或轉(zhuǎn)換成方波信號[2]。AD7008的主要性能指標(biāo)如下：

·可以用并行口或串行口直接輸入頻率、相位、調(diào)幅幅度等控制參數(shù)；

·內(nèi)含32位可編程頻率寄存器；

·集成有10位D/A轉(zhuǎn)換器；

·采用CMOS低功耗工藝；

·可通過硬件或人機(jī)設(shè)置為降功耗方式；

·最大輸出電壓、電流分別為1V、20mA；

·單一正+5V電源供電；

·采用44腳的PLCC封裝[3]。

AD7008芯片的主要引腳包括數(shù)據(jù)線、地址線、參考時鐘輸入引腳、DAC輸出、寄存器組選擇、頻率更新引腳、系統(tǒng)同步時鐘及復(fù)位信號引腳等。

AD7008芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。它共有三個主要部分：一是由一個32位的相加累加器、一個余弦/正弦表、一個10位的D/A轉(zhuǎn)換器和兩個頻率、一個相位及兩個幅度調(diào)節(jié)單元等組成的可編程DDS數(shù)字合成系統(tǒng)；二是用于設(shè)置AD7008工作模式的一個命令寄存器及包含在幅度調(diào)制單元中用于調(diào)節(jié)I及Q幅度的兩個幅度寄存器等；三是并、串行接口及控制電路等，用來和微機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)對頻率、相位和幅度調(diào)節(jié)寄存器等的寫入和修改。硬件電路構(gòu)成。[4]

圖2　AD7008芯片的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4具體電路設(shè)計和頻率、幅度的控制

4.1基于AD7008的可程控信號源的SCH圖

圖3是由AD7008和微機(jī)接口組成的實(shí)際電路。AD7008和微機(jī)接口采用并行8位的接口方式。74LS273鎖存器的輸出和AD7008的TC0～TC3、RESET、LOAD、SLEEP和FSELECT等相聯(lián)結(jié)，用于實(shí)現(xiàn)對AD7008的有關(guān)控制。當(dāng)SLESECT=0時，輸出頻率決定于FREQ0寄存器的值；當(dāng)SLESECT=1時，輸出頻率決定于FREQ1寄存器的值；TC3～TC0稱為傳輸?shù)刂房刂瓶偩€，它用來決定數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的目的和源寄存器。LOAD是數(shù)據(jù)裝載允許引腳，只有當(dāng)它為高電平是，由TC3～TC0地址總線選中的寄存器才允許寫入數(shù)據(jù)。SLEEP是低功耗休眠控制引腳，當(dāng)它接高電平時，AD7008進(jìn)入低功耗休眠方式。此時內(nèi)部時鐘被禁止，同時關(guān)閉了DAC的電流源。RESET是寄存器復(fù)位引腳，當(dāng)它為高電平時，將所有寄存器復(fù)位為零，同時禁止輸出信號。

DAC轉(zhuǎn)換輸出(IOUT)的電流信號經(jīng)過一個電阻成為電壓信號后通過一級運(yùn)放組成的射隨器和低通濾波器即可輸出正弦或調(diào)頻調(diào)幅信號。信號的頻率由FREQ0或FREQ1決定，F(xiàn)REQ0和FREQ1的字長是32位，通過8位并行口分4次輸入，先送最高字節(jié)，再依次輸入其它字節(jié)，最后送最低位字節(jié)。FREQ0或FREQ1的值為頻率指數(shù)[5]。

4.2頻率控制

本設(shè)計采用時鐘為20MHZ，字長為32位。

因此最小頻率為

FL=20×106/232

最大頻率為

FM=1/4T=FCLK/4=5MHZ

F=K×FL=K×20×106/232

因而

K=F×232/20×106Σ

將計算出的K值取整后通過并行8位口送入AD7008的FREQ0或FREQ1中，即可控制信號的頻率。相位調(diào)節(jié)和幅度調(diào)節(jié)控制也類似，只要將相位調(diào)節(jié)值和幅度調(diào)節(jié)值送入相應(yīng)的寄存器即可[6]。

圖3　信號源SCH圖

4.3幅度控制

幅度控制這一部分采用ADI公司的AD7520，該器件是單片10位16引腳雙列直插式封裝的乘法型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用先進(jìn)的CMOS和薄膜工藝，提供高達(dá)10位精度，同TTL/DTL/CMOS兼容。AD7520在+5V～+15V電源下工作，包括梯形網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的功耗20mW。由AD7520構(gòu)成的數(shù)字控制的衰減器電路如圖3所示。根據(jù)圖3中AD7520的部分所示電路，LF353的2腳輸入電流的表達(dá)式如下：

I01=IREF(D12-1+D22-2+…+D102-10)

將IREF=VREF/R，VREF=VIN代入得：

I01=IIN/R(D12-1+D22-2+…+D102-10)

通過運(yùn)算放大器將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，得LF353的輸出電壓VOUT為：

VOUT=-I01R

將I01表達(dá)式代入，得：

VOUT=-VIN(D12-1+D22-2+…+D102-10)

可見輸入電壓通過該電路后受到由數(shù)字控制的衰減后輸出，當(dāng)改變D1～D10的值輸出電壓也隨之變化。最大輸出電壓接近于輸入電壓，最小輸出電壓等于輸入電壓的1024分之一(衰減可達(dá)60db)。本電路采用74LS273鎖存器的輸出控制AD7520的衰減量。因此由計算機(jī)寫入74LS273內(nèi)的不同值就可控制衰減量[7]。

5軟件設(shè)計

采用C語音設(shè)計，總體思路是：首先輸入頻率、幅度，計算頻率指數(shù)及幅度控制字；把頻率指數(shù)K值送入AD7008的32位并行口寄存器；然后設(shè)置頻率寄存器的地址；送幅度控制字到幅度控制字寄存器中；最后把K值裝載入頻率寄存器，產(chǎn)生信號。本程序已在BC5.0環(huán)境下調(diào)試通過[8]。下面是程序清單：

/*-------system("send1.exe PORT BYTE.BY");-------*/

#include

#include

#include

#include

#include

void signal(int fr1b4,int fr1b3,int fr1b2,int fr1b1,int am1-2,int am1-8)

void sglres()

void main()

{

sglres()

signal(30000,0x3ff);

adjust(0x10);

}

void sglres()/*AD7008芯片復(fù)位控制*/

{

outport(0x212,0xff);

outport(0x212,0xff);

outport(0x212,0xff);

outport(0x212,0x00);

outport(0x212,0x00);

outport(0x212,0x00);

}

void signal(unsigned long f-value,unsignal int am-value)

/*設(shè)置AD7008輸出信號頻率及AD7520對信號的衰減量*/

{

unsigned int fr1b4,fr1b3,fr1b2,fr1b1,am1-2,am1-8;

unsigned long k1,k2,k3;

k1=(f-value*0x800000)/10000000;

fr1b4=int(k1/(0x10000000));

k2=k1-fr1b4*(0x10000000);

fr1b3=int(k2/(0x10000));

k3=k2-fr1b3*(0x10000);

fr1b2=int(k3/(0x100));

fr1b1=k3-fr1b2*(0x100);

if am-value>0x3ff am-value=0x3ff;

if am-value<0x00 am-value=0x00;

am1-2=int(am-value/(0x100));

am1-8=am-value-am1-2*(0x100);

sglres();

outport(0x212,0xff);

outport(0x212,0x00);

outport(0x216,0x00);

outport(0x212,0x04);

outport(0x212,0x00);

outport(0x216,fr1b4);

outport(0x216,fr1b3);

outport(0x216,fr1b2);

outport(0x216,fr1b1);

outport(0x212,0x80);

outport(0x212,0x84);

outport(0x212,0x00);

outport(0x212,am1-2);

outport(0x218,am1-8);

}

6調(diào)試時注意事項

本信號源設(shè)計為插入PC機(jī)ISO槽結(jié)構(gòu)，信號板所需的+5V模擬電源和-5V模擬電源由PC機(jī)中的+12V和-12V電源通過7805芯片和7905芯片穩(wěn)壓后得到。電源濾波電容選用膽電容和0.1μF高頻小獨(dú)石電容并聯(lián)。因頻率和幅度變化范圍較大，特別是幅度其最小值可達(dá)2mV。為減小數(shù)字部分對模擬部分的干擾，PCB板最好采用四層板，中間兩層為模擬地和數(shù)字地，并且模擬地和數(shù)字地在插槽附近一點(diǎn)相連。芯片上的數(shù)字電源和模擬電源、模擬地和數(shù)字地嚴(yán)格分開，芯片上所用電源端必須加0.1μF的高頻去耦電容。另外用示波器測試時要特別注意，示波器接地端必須和PCB板上的接地端接牢后才能測試。否則若在測試中示波器接地端脫落，極易造成芯片損壞[10]。

調(diào)試結(jié)果和實(shí)際使用證明：用上述技術(shù)設(shè)計的基于AD7008的可程控信號源工作穩(wěn)定，精度高，頻率和幅度控制都非常方便，在靶場電子裝備的電路板故障檢測中發(fā)揮了重要的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ADI公司器件手冊.CMOS DDS Modulator AD7008.

[2] 李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：人民教育出版社，1981.

[3] 李華.MCS51單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[4] 竇振中.單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊存儲器分冊[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1998.

[5] 趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].西安：西安電子大學(xué)出版社，1999.

[6] 中國航天.1988.8；中國航天，2000.10.

[7] High frequency atmospheric noise mitigation[C]//IEEE National Radar Conference,1994：101-104.

[8] NicholsonDB.Hexagonal ferrite for millimeterwave application[J].Hewlett-Packard Journal.Oct，1990，41(5).

Design and Implementation of Programmable Signal Source Based on DDS

LIU Shangfu1,2

(1.Naval University of Engineering, Wuhan430000)(2.Bengbu Naval Petty Officer Academy, Bengbu233012)

AbstractAccording to the actual needs of the range, a design is realized by AD7008 and AD7520 chip programmable signal source.The chapter introduces the design of the hardware of early points.

Key Wordschip programmable signal source, AD7008, frequency control, AD7520, amplitude control

*收稿日期：2015年12月26日,修回日期：2016年1月30日

作者簡介：劉尚富,男,碩士研究生,講師,研究方向：雷達(dá)裝備。

中圖分類號TP212

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.039