基于ＤＤＳ的高精度函數信號發生器的研制

殷　雷　金海軍　李映雪　余水寶

摘 要：基于直接數字頻率合成技術(DDS),采用單片機實現對DDS芯片AD9852的控制,提出一種高精度函數信號發生器的實現方案。重點介紹了單片機與AD9852的硬件接口電路、整個系統的軟件設計以及單片機中對48 b頻率控制字的處理方法。此方法在單片機程序設計中處理多于32 b的整型數據時具有借鑒意義。此系統具有高頻率、高精度的主要特點,且控制靈活方便,具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：DDS；AD9852；頻率控制字；信號發生器

中圖分類號：TN74 文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2009)01-068-02

Research and Realization of High Precision Signal Generator Based on DDS Technology

YIN Lei,JIN Haijun,LI Yingxue,YU Shuibao

(College of Mathematics Physics and Information Engineering,Zhejiang Normal University,Jinhua,321004,China)

Abstract：This design is based on the Direct Data Frequency Synthesis(DDS) technology,and single chip computer is used to control the AD9852.A kind of design of high precision signal generator is given.The hardware interface circuit between the single chip computer and AD9852,the software design of signal generator and the method to process 48 bit frequency control word in single chip computer are mainly described,and the method can be used in the software design of single chip computer when the data bit of integral type above 32.The output is easy to control,has high frequency and precision,and it has wide application in the future.

Keywords：DDS；AD9852；frequency control word；signal generator

直接數字頻率合成技術(Direct Digital Frequency Synthesis,DDS)［1］是從相位概念出發直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術。DDS技術具有相對帶寬寬、頻率轉換時間短、頻率分辨率高等優點,廣泛用于高精度頻率合成和任意信號發生［2］。本文采用單片機控制DDS芯片,設計實現了一種高精度多波形的信號源。

1 DDS原理

DDS 的基本結構包括：相位累加器、正弦查詢表、數模轉換器(DAC)及低通濾波器等。DDS原理如圖1所示［3］。

圖1 DDS基本原理框圖

圖1中信號輸出頻率和參考時鐘頻率的關系表達式為：

fo=f osc×FTW/2N

其中：fo為輸出頻率,f osc為參考時鐘頻率,FTW為頻率控制字,N為頻率控制字的位數。由于N是一個固定值,那么只要改變FTW的大小就能得到所需要的頻率值,而且頻率的分辨率由N值決定,當N值越大則分辨率越高。由Nyquist取樣定理可知,要恢復理想波形,在理想低通濾波器的條件下,輸出頻率必須小于時鐘參考頻率的用50%,即fo＜1/2f osc,若超過這個范圍,則一階鏡像頻率就會落在Nyquist帶寬內［4］。而實際的LPF都有一個過渡帶的問題,所以為了更好地去除一階鏡像帶來的雜散［5］,一般將DDS的輸出頻率限制在0.4f osc內。可見當AD9852參考時鐘頻率為300 MHz時,完全可以滿足輸出頻率為50 MHz的設計要求。

2 系統設計

2.1 硬件設計

系統設計原理如圖2所示。該設計選用單片機AT89C55作為控制核心,其與DDS芯片AD9852［6,7］之間采用并口通信方式。單片機P1口作為LCD液晶顯示的數據總線,P0口用于AD9852地址總線和并口傳輸的數據總線,使用鎖存器74ALS573實現P0口復用,74ALS573鎖存輸出的六位數值為AD9852內部寄存器的地址。P2和P3口作為控制口用于鍵盤芯片HD7279和AD9852的控制。

圖2 系統結構框圖

由于AD9852使用CMOS工藝,供電電壓是 3.3 V,而單片機使用的是TLL電平,所以要在TLL電路與CMOS電路之間進行電平轉換。該系統選擇了74LVT16245作為5 V邏輯電平到3.3 V邏輯電平的轉換器件。所需要輸出的頻率可通過按鍵設定得到,進行的操作同時在液晶上進行顯示。AD9852內部系統時鐘頻率由外部有源晶振倍頻得到。

由于AD9852 的內部沒有低通濾波器,因此經過內部余弦 DAC 輸出的掃頻信號不可避免地含有高頻噪聲,所以信號輸出端口需外接低通濾波器抑制高頻干擾［8］。該設計采用七階橢園函數濾波器［9］。七階橢圓濾波器電路圖如圖3所示。

圖3 橢圓濾波器原理圖

2.2 軟件設計

軟件設計主要分為菜單操作和頻率控制值計算兩部分。不同的按鍵代表著不同的數字和功能,除了正常的10個數字鍵0~9外,為了方便頻率值輸入,還設計了左右移動鍵、刪除鍵、Output確認輸出鍵等功能鍵。相應的數值如頻率、相位、幅度輸入完成后按Output輸出鍵,即產生相應的信號輸出。整體軟件設計流程圖如圖4所示。

2.3 48 b頻率控制字的處理

由于單片機C語言［10］中數據運算最多為32 b,如單精度Float型、Long長整型,而Double雖是64 b但Keil C編譯時出錯,故將介紹一種在單片機中計算48 b頻率控制字的方法。

在該設計中取參考時鐘頻率f osc為300 MHz,在DDS的原理中介紹了輸出頻率的計算方法為:

fo=f osc*(FTW/2 48)

(1)

那么根據式(1)就能推導出計算頻率控制字的表達式:

FTW=2 48*fo300 000 000

(2)

圖4 信號發生器流程圖

在計算頻率控制字時采用分割法,通過所需輸出頻率高低來分割,并引入了臨界頻率fL的概念。

首先將48 b頻率控制字分割成16 b+32 b,使前面的16 b都為0,則FTW=2 32時的fo為臨界頻率f L1,其值為:

f L1=300 000 000*2 32/2 484.577 kHz

當fo≤f L1時,頻率控制字計算公式為:

FTW=(2 48*fo)/300 000 000938 249.922 369*fo

當fo＞f L1時,通過把48 b頻率控制字分成8 b+32 b+8 b,令最前面的8 b和最后面的8 b等于0,引入臨界頻率f L2,可由算式(1)計算得到:

f L2=300 000 000*2 40/2 481.171 72 MHz

當f L1＜fo≤f L2時,得到頻率控制字計算公式為:

FTW=(2 40*fo)/300 000 0003 665.038 759*fo

最后當fo大于f L2,即把后16 b定為0,這時式(1)中N=32,則頻率控制字計算公式為:

FTW=2 32*fo300 000 00014.316 558*fo

此時頻率分辨率為(300 000 000*2 16)/2 48 0.07 Hz。同理可得當輸出頻率小于f L1、大于f L1小于f L2時分辨率分別為1.07e-6 Hz和2.73e-4 Hz,本方案設計為輸出頻率低于1 MHz時分辨率為0.001 Hz,高于1 MHz時分辨率為0.1 Hz。由上可見此方法合理有效,解決了單片機48 b頻率控制字算法,同時也達到了很高的頻率分辨率和精確度。

3 結 語

針對目前市場上的函數發生器存在的頻帶范圍窄、精度不高、準確度低、頻譜純度差等缺點,

設計了一款高精度高頻數控函數信號發生器,該函數發生器具有頻帶范圍寬、精度高、頻譜純度好、頻率輸出穩定等優點。經測試頻率范圍可以達到50 MHz,頻率分辨率為 0.001 Hz,并可以產生正弦波、FSK與BPSK波形。可應用于日常教學與科研工作中,在晶體濾波器測試、復雜通信系統測試、音頻系統測試、高性能視頻測試等領域有廣泛的應用前景。

參考文獻

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作者簡介殷 雷 男,1982年出生,山東淄博人,碩士研究生。研究方向為智能儀表和嵌入式系統。

金海軍 男,1979年出生,湖南邵東人,碩士研究生。研究方向為無線傳感器網絡技術。

李映雪 男,1982年出生,江西高安人,碩士研究生。研究方向為嵌入式系統應用。

余水寶 男,1954年出生,浙江金華人,教授。研究方向為信號檢測與智能儀表嵌入式系統。