基于ＤＤＳ的高精度函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的研制

殷　雷　金海軍　李映雪　余水寶

摘 要：基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS),采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS芯片AD9852的控制,提出一種高精度函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案。重點(diǎn)介紹了單片機(jī)與AD9852的硬件接口電路、整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以及單片機(jī)中對(duì)48 b頻率控制字的處理方法。此方法在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中處理多于32 b的整型數(shù)據(jù)時(shí)具有借鑒意義。此系統(tǒng)具有高頻率、高精度的主要特點(diǎn),且控制靈活方便,具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：DDS；AD9852；頻率控制字；信號(hào)發(fā)生器

中圖分類號(hào)：TN74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct Digital Frequency Synthesis,DDS)［1］是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。DDS技術(shù)具有相對(duì)帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于高精度頻率合成和任意信號(hào)發(fā)生［2］。本文采用單片機(jī)控制DDS芯片,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種高精度多波形的信號(hào)源。

1 DDS原理

DDS 的基本結(jié)構(gòu)包括：相位累加器、正弦查詢表、數(shù)模轉(zhuǎn)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(hào)輸出頻率和參考時(shí)鐘頻率的關(guān)系表達(dá)式為：

fo=f osc×FTW/2N

其中：fo為輸出頻率,f osc為參考時(shí)鐘頻率,FTW為頻率控制字,N為頻率控制字的位數(shù)。由于N是一個(gè)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(dāng)N值越大則分辨率越高。由Nyquist取樣定理可知,要恢復(fù)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(shí)鐘參考頻率的用50%,即fo＜1/2f osc,若超過這個(gè)范圍,則一階鏡像頻率就會(huì)落在Nyquist帶寬內(nèi)［4］。而實(shí)際的LPF都有一個(gè)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(nèi)?？梢姰?dāng)AD9852參考時(shí)鐘頻率為300 MHz時(shí),完全可以滿足輸出頻率為50 MHz的設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖2所示。該設(shè)計(jì)選用單片機(jī)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(jī)P1口作為L(zhǎng)CD液晶顯示的數(shù)據(jù)總線,P0口用于AD9852地址總線和并口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線,使用鎖存器74ALS573實(shí)現(xiàn)P0口復(fù)用,74ALS573鎖存輸出的六位數(shù)值為AD9852內(nèi)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(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由于AD9852使用CMOS工藝,供電電壓是 3.3 V,而單片機(jī)使用的是TLL電平,所以要在TLL電路與CMOS電路之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)選擇了74LVT16245作為5 V邏輯電平到3.3 V邏輯電平的轉(zhuǎn)換器件。所需要輸出的頻率可通過按鍵設(shè)定得到,進(jìn)行的操作同時(shí)在液晶上進(jìn)行顯示。AD9852內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘頻率由外部有源晶振倍頻得到。

由于AD9852 的內(nèi)部沒有低通濾波器,因此經(jīng)過內(nèi)部余弦 DAC 輸出的掃頻信號(hào)不可避免地含有高頻噪聲,所以信號(hào)輸出端口需外接低通濾波器抑制高頻干擾［8］。該設(shè)計(jì)采用七階橢園函數(shù)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(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為菜單操作和頻率控制值計(jì)算兩部分。不同的按鍵代表著不同的數(shù)字和功能,除了正常的10個(gè)數(shù)字鍵0~9外,為了方便頻率值輸入,還設(shè)計(jì)了左右移動(dòng)鍵、刪除鍵、Output確認(rèn)輸出鍵等功能鍵。相應(yīng)的數(shù)值如頻率、相位、幅度輸入完成后按Output輸出鍵,即產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)輸出。整體軟件設(shè)計(jì)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(jī)C語言［10］中數(shù)據(jù)運(yùn)算最多為32 b,如單精度Float型、Long長(zhǎng)整型,而Double雖是64 b但Keil C編譯時(shí)出錯(cuò),故將介紹一種在單片機(jī)中計(jì)算48 b頻率控制字的方法。

在該設(shè)計(jì)中取參考時(shí)鐘頻率f osc為300 MHz,在DDS的原理中介紹了輸出頻率的計(jì)算方法為:

fo=f osc*(FTW/2 48)

(1)

那么根據(jù)式(1)就能推導(dǎo)出計(jì)算頻率控制字的表達(dá)式:

FTW=2 48*fo300 000 000

(2)

圖4 信號(hào)發(fā)生器流程圖

在計(jì)算頻率控制字時(shí)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(shí)的fo為臨界頻率f L1,其值為:

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

當(dāng)fo≤f L1時(shí),頻率控制字計(jì)算公式為:

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

當(dāng)fo＞f L1時(shí),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(jì)算得到:

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

當(dāng)f L1＜fo≤f L2時(shí),得到頻率控制字計(jì)算公式為:

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

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

FTW=2 32*fo300 000 00014.316 558*fo

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

3 結(jié) 語

針對(duì)目前市場(chǎng)上的函數(shù)發(fā)生器存在的頻帶范圍窄、精度不高、準(zhǔn)確度低、頻譜純度差等缺點(diǎn),

設(shè)計(jì)了一款高精度高頻數(shù)控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,該函數(shù)發(fā)生器具有頻帶范圍寬、精度高、頻譜純度好、頻率輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試頻率范圍可以達(dá)到50 MHz,頻率分辨率為 0.001 Hz,并可以產(chǎn)生正弦波、FSK與BPSK波形。可應(yīng)用于日常教學(xué)與科研工作中,在晶體濾波器測(cè)試、復(fù)雜通信系統(tǒng)測(cè)試、音頻系統(tǒng)測(cè)試、高性能視頻測(cè)試等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介殷 雷 男,1982年出生,山東淄博人,碩士研究生。研究方向?yàn)橹悄軆x表和嵌入式系統(tǒng)。

金海軍 男,1979年出生,湖南邵東人,碩士研究生。研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

李映雪 男,1982年出生,江西高安人,碩士研究生。研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用。

余水寶 男,1954年出生,浙江金華人,教授。研究方向?yàn)樾盘?hào)檢測(cè)與智能儀表嵌入式系統(tǒng)。