基于DDS的信號源設計論文

郭泳麗 張晉濤 薛凱棟 史佳茹 侯翰林

摘?要：本文主要介紹了采用直接數字頻率合成DDS芯片實現正弦信號輸出，并完成調頻，調幅功能。它采用美國模擬器件公司（AD公司）的芯片AD9851，并用AT89C51單片機對其控制，首先從DDS芯片的輸出，經低通濾波得到正弦信號，然后對該信號進行調頻，調幅。其中調頻部分可以通過在軟件中修改DDS芯片的頻率控制字，相位控制字等來實現，而調幅部分需在DDS輸出正弦信號之后外加一調幅器實現。調幅部分將DDS輸出作為載波信號，RC振蕩器提供1KHz振蕩作為調幅信號，它利用了乘法器MC1496完成對正弦信號調制。該系統輸出穩定度、精度極高，適用于當代的尖端的通信系統和精密的高精度儀器。

關鍵詞：直接數字頻率合成（DDS）;AD9851;調頻;調幅

1、設計任務及初步規劃設計

本課題是利用高性能DDS芯片設計頻率范圍在0～10 MHz，并能夠實現調頻、調幅的信號源。要求其頻率穩定度小于等于10-6

在對本課題總體規劃設計過程中，主要可分成以下幾塊：

（1）控制電路的設計，其主要功能是完成對DDS芯片的控制，包括頻率控制字，相位控制字等的數據輸入信號以及頻率更新和字輸入時鐘端等的控制信號。這些控制信號可以由PC機，單片機，可編程邏輯器件PLD，或者常規的數字邏輯電路來產生。PLD是由用戶在工作現場進行編程的邏輯器件，在產品研制的未定型階段，這種方式比較靈活，常規的數字邏輯電路最簡單，價格最便宜，最容易上手，但不夠靈活。而單片機具有體積小，可控性高，控制功能強，使用方便，性價比較高等諸多優點，我準備采用常用的控制電路的芯片AT8951單片機來完成控制部分的功能。

（2）參考時鐘電路設計。參考頻率源可選用普通晶體振蕩器，溫補晶體振蕩器或恒溫控制晶體震蕩器等。其中恒溫控制晶體震蕩器的性能指標最好，但體積最大，價格也最貴，而普通晶體振蕩器雖價格便宜，但其頻率穩定度通常較低，所以在工程實際中，一般采用溫補晶體振蕩器作為DDS的參考時鐘輸入比較合適。

（3）系統電源設計。系統電源可由直流穩壓穩流電源提供，為了安全起見，在電源的后面接上穩壓塊，由穩壓塊穩壓到電路所需的電壓值。直流電源的紋波越小，對提高DDS的性能就越有好處。

（4）正弦信號發生電路。本課題首先要用DDS芯片產生一頻率穩定且可調的正弦信號，因此正弦信號性能的好壞直接決定了該設計是否符合技術指標要求，還有進一步的調幅性能的好壞。鑒于2中對DDS芯片AD9851的介紹，用該芯片便可在理論上具有可行性。

2、方案提出及系統整體設計

（1）.常見信號源制作方法

方案 一：采用模擬分立元件或單片壓控函數發生器MAX038，可產生正弦波，方波，三角波，通過調整外部元件可改變輸出頻率，但采用模擬器件由于分散性太大，即使使用單片函數發生器，參數也揶揄外部元件有關，因而產生的頻率穩定度較差，精度不高，抗干擾能力較低成本較高。

方案 二：采用鎖相式頻率合成方案，鎖相式頻率合成是將一個高穩定度和高精度的標準頻率經過加減乘除的運算產生同樣穩定度和精確度的 大量離散頻率的技術，它在一定程度上解決了既要頻率穩定精確，又要頻率在較大范圍內可變的矛盾，但頻率受VCO可變頻率范圍響，高低頻率比不可能作得很高。

3、硬件電路設計

這里我們采用的是AD公司的DDS系列芯片之一的AD9851，其優異的功能，尤其是其先進的CMOS工藝，使其得到廣泛的應用。下面就介紹AD9851的原理及性能。

AD9851內部結構

AD9851芯片是AD公司生產的最高時鐘頻率為180MHz，采用先進的CMOS技術的高集成度直接數字式頻率合成器件。它由一個高速DDS，一個高性能DAC以及比較器等構成一個完全數字控制可編程頻率合成器，其時鐘輸入端內置一個6倍頻器，并且具有始終產生共嫩能夠。

AD9851芯片的主要性能特點有：① 語序最高輸入時鐘180MHz，同時可選擇是否啟用內含的6倍頻乘法器;② 帶有高性能的十位數模轉換器;③ 內含一個高速比較器;④ 具有簡化的控制接口，允許串/并行異步輸入控制字;⑤ 采用32位頻率控制字;⑥ 內部使用5位相位調制字;⑦ 允許工作電源范圍：+2.7v+5.25v;⑧ 可以工作在掉電方式（低功耗）：4mW+2.7v;⑨ 其自由寄生動態范圍（SFDR）>43dB@70MHz輸出;⑩ 采用極小的28腳貼片式封裝。

AD9851可用作一個高精度的可編程的數字頻率合成器和時鐘生成器，當參考時鐘源的頻率精度很高時，AD9851輸出的數字化的模擬正弦波的頻率和相位都很穩定，生成的正弦波經濾波后可直接用作頻率源，也可通過內部的比較器轉換成方波作時鐘源。

由于AD9851的核心具有32bits的頻率控制字，當系統輸入時鐘頻率為180MHz時，其輸出頻率分辨率接近0.024Hz。AD9851還提供5bits的可編程相位控制字，其輸出相位可以以11.25的增益改變。可編程啟用AD9851內部集成的6倍頻參考時鐘乘法器這樣輸入的時鐘頻率不需要很高，且該乘法器具有很小的SFDR和相位噪聲。

4、軟件設計

單片機完成對AD9851的控制和人機交互。40位數據分五次發送，系統以鍵盤為控制信息輸入，單片機獲取控制信號后處理，區別不同的狀態，按照程序流程圖，對系統進行控制，以達到題目要求。修改AD9851的頻率控制字有并行和串行兩種方式，由于系統由軟件調頻，要求頻率變化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9851，提高速度，實現較好的調頻效果。

5、硬件電路調試

5.1.調試與測試所用儀器

1.微機一臺以及Protel軟件;

2.信號源;

3.示波器;

4.萬用表;

5.直流穩壓電源;

6.失真度儀;

5.2 軟件調試

本系統的軟件系統采用C編寫，調試也是分模塊進行，各個模塊調試通過函數里調這樣寫結構明了，出錯時容易查錯。

5.3 總調試

按程序定義的各個口分別把線接好，然后把程序寫進單片機控制各個模塊。依據設計要求，分別對輸出波形、輸出電壓峰峰值、輸出頻率和功率放大器輸出測試。

6、結論

系統測試指標均達到要求，部分指標超過題目要求：

正弦波輸出頻率：0～12MHz;

輸出信號頻率穩定度：優于10-6;

自行產生1kHz正弦調制信號;產生FM信號在100kHz～10MHz內最大頻偏可5kHz/10kHz/20kHz程控;

存在誤差為人為誤差、硬件誤差、測量儀器誤差、雜散引入誤差。

減小誤差可從改變電路，提高儀器精度，減弱外界干擾和多次測量取平均值等方面改善。

使用說明

通過本次畢業設計，我學到了許多有用的知識。例如通信領域的調頻，調幅等多種調制方法;基本的鍵盤與顯示模塊設計;學會使用了一種高集成芯片AD9851，尤其掌握了其原理還有工作特性，它不僅可以產生正弦信號，還可以其通過添加輔助電路使其輸出方波信號，三角波信號等常用信號源波形。

參考文獻

[1]?李東生.Protel 99SE 電路設計技術入門與應用[M]. 北京：電子工業出版社，2002

[2]?雷曉平.單片計算機及其運用[M].電子科技大學出版社，1997