基于DDS技術的雙路全控信號發生器設計

一汽客車(大連)有限公司 王 鵬

直接數學頻率合成技術(DDS)是一種運用數字控制方法來實現由標準參考頻率源來合成多種高穩定度和準確度的頻率源的技術，在現代電子測量、通信技術、電力電子控制等領域得到廣泛應用。該技術與模擬頻率信號源相比具有頻率轉換速度快、分辨率高、合成范圍寬、頻率與相位連續可調、可靈活產生多種信號及在多種變換時也能保持相位連續性等優點。本文以DDS芯片AD9850設計一種可編程序雙路全控信號發生器，通過外設按鍵可方便調頻、調相位，可用于要求高精度、頻率與相位可變的復雜信號源的現代電子測量、通信系統、教學實驗等場合[1,2]。

1.系統設計方案

本文提出采用DDS技術設計全數控信號發生器的方案，根據輸出信號波形類型可實現輸出信號幅度可設置、頻率可數控和輸出頻率寬等要求。總體結構如圖1所示，通過單片機實現對AD9850芯片的32位頻率位以及5位相位位的控制，再經放大濾波輸出，進而實現對信號幅值、頻率、相位的全數字控制。

2.AD9850芯片簡介

AD9850的詳細說明可參照參考文獻[3]，現將AD9850芯片的頻率控制與相位控制的具體計算方法說明如下：

2.1 控制字與控制時序

圖1 信號發生器總體結構圖

圖2 并行輸入控制時序圖

AD9850的頻率/相位控制字共40位，其中32位為頻率調整字，5位為相位控制字，2位為工廠測試控制和1位為電源休眠控制，應用中將1位電源休眠控制、兩位工作方式控制字設置為“000”。需要注意的是，AD9850芯片的頻率/相位控制字裝載方式可分為并行與串行兩種，串行、并行數據格式與時序圖如圖2、圖3所示。并行裝載時，40位控制數據通過D0-D7的數據線，每次送8位數據，分5次送完，并行數據裝載格式為：w0是5位相位控制與3位掉電、工廠測試，w1-w4的32位的頻率控制位；串行裝載時，40位的控制數據通過D7按每一位串行輸入，串行數據裝載格式為：w0-w31的32位頻率控制位，w32-w34的3位工廠測試和掉電控制位，w35-w39的5位相位控制位[3]。

表1 相移與相位控制字對應表

圖3 串行輸入控制時序圖

圖4 DDS信號源硬件接口電路

圖6 實驗波形圖

2.2 輸入、輸出頻率與頻率控制字的計算

AD9850具有高精度的輸出頻率步長，當參考時鐘為125 MHz時，其輸出頻率步長為0.0291Hz，頻率控制計算公式如下[3]：

式中：ΔPHASE為調制頻率控制字數值（32bits）；fCLKIN為輸入參考時鐘頻率；fout為輸出信號頻率。

例如：輸入參考頻率為：125MHz，輸出信號頻率為：1KHz，則按照并行裝載數據格式其頻率控制數據PHASEΔ為：W1=00H，W2=00H，W3=86H，W4=38H。

2.3 相位控制字的計算

AD9850提供5位用于控制相位角度，相位控制的精度為：360°/25=11.25°，使其輸出相位可以按11.25°倍數的相位及其任意組合改變，在每個參考時鐘來到時，根據實際需要按并行或者串行數據格式來設置不同的相位控制字，從而實現精確的相位控制[3]。相位控制字如表1所示。

圖5 總體程序流程圖

3.AD9850電路與單片機硬件連接

在本電路中(如圖4)，通過STC89C52RC單片機產生的兩路控制信號來控制AD9850的全控信號輸出。為了充分發揮芯片的高速性能并充分利用單片機I/O資源，采用并行數據傳輸方式將2片AD9850的控制數據線D0-D7與單片機P1口通過8位緩沖器74LS244作數據緩沖相連接，通過軟件編程按并行時序來控制實現兩路相位、頻率全控信號，硬件接口電路如圖4所示。通過P2、P3口接鍵盤來控制電路及P0口接頻率顯示功能，設計4個按鍵，分別實現步進量值、“+”“-”頻率、相位調節與功能確認，同時通過1602液晶屏顯示功能信息[5]。其中，DDS芯片的時鐘控制信號接口如下：第1片為W_clk引腳連接P2.2，fq_up引腳連接P2.1，rest引腳連接P2.0.；第2片為W_clk引腳連接P2.3，fq_up引腳連接P2.4，rest引腳連接P2.5。

4.DDS信號軟件程序設計

4.1 程序總體流程圖

程序總體流程圖如圖5所示。

4.2 軟件編程設計

首先對LCD液晶屏、AD9850進行初始化，然后通過功能按鍵向AD9850并行輸入計算頻率、相位信息，同時顯示在LCD上。參照并行輸入控制時序圖編寫并行數據傳輸程序，具體如下：

5.硬件實驗與調試注意事項

5.1 硬件實驗

通過硬件實驗驗證兩路全控信號的頻率、相位輸出情況。在實際電路中兩路信號源分別輸出：1KHz、相位差90°與500Hz、相位差90°正弦波并且波形穩定，具體波形圖如圖6所示。

通過實驗效果證明性能良好，其正弦波輸出頻率的可調范圍為1Hz-100kHz,兩路輸出正弦波的相位可由使用者按11.25°倍數任意設定。

5.2 調試注意事項

（1）AD9850作為時鐘發生器使用時，必須接地線屏蔽，否則輸出波形不可控或完成失真；輸出頻率要小于參考時鐘頻率的33%,這樣可避免混疊或諧波信號，從而降低對外部濾波器的要求。

(2)AD9850參考時鐘頻率最低為1MHz,如果低于此頻率,系統自動進入電源休眠方式。如果高于此頻率,系統恢復正常。

(3)AD9850本身可以產生方波，但當頻率較大時，產生的正弦波幅度偏小，示波器觀察產生的方波邊沿不好，為方便波形調節可采用片外連接電壓比較器將正弦波轉化為方波[6]。

6.結論

本方案設計的信號發生器為硬件、軟件相結合，具有成本低、體積小、控制靈活性大(頻率、幅度、相位)、精度高等優點。由此可見，基于DDS技術信號源的設計可以滿足不同領域對于高精度信號源的需要，其應用前景十分廣闊。

[1]肖漢波.一種基于DDS芯片AD9850的信號源[J].電訊技術,2003(2):47-50.

[2]龍安國.基于DDS芯片AD9850的全數控函數信號發生器的設計與實現[J].電子元器件應用,2008(10):14-17.

[3]Analog Devices Inc.CMOS 125MHz Complete DDS Synthesizer AD9850[S].1997.

[4]王崢.AD9850的應用[J].通信與廣播電視,2001(3):14-19.

[5]馬忠梅,籍順心.單片機的C語音應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[6]李巖,高宏.多相位電源信號發生器的設計[C].中國電工技術學會電力電子學會第十屆學術年會論文集,2006.