1kWPDM中波發射機頻率合成器的設計分析

張 斐 徐世杰

基于AT89C51單片機控制的DDS方式的方波信號發生系統主要由主控制器模塊、方波信號發生模塊、led顯示模塊、按鍵模塊、X4050（看門狗及EEPROM）組成。系統結構框圖如圖1所示。DDS技術是一種直接數字頻率合成技術，AT89C51單片機通過SPI模式從X5045讀出系統預置的頻率參數，通過并行總線P1口送入AD9850，產生預置的方波信號，并且在led數碼管上顯示出來；當需要改變載波頻率時，通過預置按鍵和上下按鍵設定為間隔為9kHz（531～1602kHz）方波，為發射機提供載波信號。

圖1 系統結構框圖

1 AT89C51單片機芯片及接口電路說明

單片機作為系統設計的核心部分，在系統功能實現過程中起到了決定性的作用。AT89C51是51系列單片機中的一員，與其他51單片機都高度兼容，易于程序的移植；其單片機內部有4kbytes的Flash用來存儲程序，可以反復擦寫使用1000次；它用來隨機存取數據的RAM存儲器大小為128bytes，內置的中央處理器CPU為8位，同時還有Flash存儲單元。AT89C51單片機中有一個高增益反向放大器在振蕩器的內部，引腳XTAL1為放大器的輸入端，XTAL2是該放大器的輸出端，該放大器外接石英晶體或陶瓷諧振器共同構成自激振蕩器。外接的石英晶體兩端與電容C1、C2分別接地后接在放大器的反饋回路中形成并聯振蕩電路。電容C1、C2取值的大小會稍微影響振蕩器的穩定性，因為外接石英晶體，選取的電容值為30pF。AT89C51有強大的I/O口分別是（P0.0-P0.7）～（P3.0-P3.7）構成了4個并行I/O接口，可以完成數據的傳送和控制，其P3口除具有一般I/O口功能外還有串行、中斷、定時器等第二功能。

單片機與其他器件的連接如圖2所示，單片機與AD9850接口電路采用并行接口方式，P1口作為數據接口，P3.3、P3.1和 P3.0與 AD9850的 W_CLK、FQ_UD和RESET相連作為控制引腳；單片機與X5045采用SPI總線方式通信，P3.5（T1）、P3.7（RD） 和 P3.4（T0） 與X5045的SI、SO和SCK連接進行通信，P3.2、P3.6和 RESET與 X5045的 CS、WP和RESET相連作為控制引腳；單片機的P0.0-P0.7與數碼管的A-G相連，P2.0-P2.3通過4個三極管與4個數碼管的COM口相連來控制數碼管的通斷；單片機的P2.4、P2.5和P2.6與三個按鍵相連實現對頻率的設置，K_CON為設置按鍵，長按3～5秒后數碼管上的預置頻率閃動時，按K_UP或K_DOWN按鍵在（531～1602kHz）調節頻率，調節好后再按K_CON按鍵確定后即可輸出所調的頻率。

2 AD9850DDS芯片及工作原理說明

AD9850是美國AD公司采用DDS技術在1996年推出的高集成度的頻率合成器，它采用CMOS工藝制作，工作溫度范圍為-40～80 ℃，在3.3V供電下功耗為155mW，它采用28腳SSOP封裝形式。圖3為其組成原理框圖。圖中虛線內包含了由微控制器、相位控制字、頻率控制字、相位累加器、加法器、相位寄存器、正弦查詢表、DAC、LPF組成的一個完整的可編程DDS系統，可編程DDS系統和高速比較器的配合應用實現了全數字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統的核心是一個由加法器和N（32）位相位寄存器組成的相位累加器，每當過來一個外部參考時鐘信號時，相位寄存器便以步長M遞增，其輸出與相位控制字經加法器相加后便輸出到正弦查詢表地址上；正弦查詢表內部包含一個完整的正弦波周期的數字幅度信息，一個地址對應一個正弦波中0°～360°的一個相位點；正弦查詢表把送過來地址的相位信息一一映射成正弦波幅度信號，經DAC驅動輸出對應的模擬量，經過2N/M個外部參考時鐘后相位寄存器就返回到初始狀態一次，從而使整個DDS系統輸出一個正弦波。該正弦波周期TO=Tc2N/M，頻率fout=Mfc/2N，fc、Tc分別為外部參考時鐘的頻率和周期。

圖3 AD9850組成框圖

總之，信號經過32位的相位累加器后被截斷成14位輸入到正弦查詢表，經過查詢表的輸出后被截斷成10位輸入到DAC，DAC輸出兩個互補的電流。該電流經過DAC滿量程輸出通過一個外接電阻RSET調節，經過LPF濾波后接到高速比較器上即可輸出一個抖動很小的方波。

AD9850在外接上100MHz的有源晶振和單片機控制寫入頻率相位控制字之后就可產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波，此正弦波經過系統內置的高速比較器轉換后變成方波輸出。

3 軟件設計

系統通過單片機C語言模塊化編程方案，具有可讀性高、移植性好等優點。軟件由主程序、X5045驅動程序、AD9850驅動程序、LED顯示程序、按鍵掃描程序組成。主程序的功能是：系統初始化，接收按鍵并做初步處理，調用各個子程序。程序流程如圖4所示。各子程序功能如下：X5045程序進行看門狗功能及EEPROM的數據讀寫。AD9850驅動程序計算頻率控制字及寫控制字。LED顯示子程序將按鍵選擇的頻率數值轉換為數碼管上顯示字符的相應代碼。按鍵掃描子程序判斷是否有鍵按下，有則稍等并進行按鍵處理，否則返回等待。

4 結語

圖4 程序流程圖

本文設計的DDS頻率合成器電路最大程度地發揮了各個器件的優勢，可以為PDM發射機提供穩定的載波頻率，具有工作穩定、電路簡單、成本低、易于實現等優點，它的狀態直接決定了發射機播出質量。通過對DDS頻率合成器軟硬件電路設計的分析和說明，希望對技術維護人員有所幫助。

參考文獻：

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