基于AD9850鎖相環(huán)頻率合成器的研究與設(shè)計(jì)

章小寶

摘要:本系統(tǒng)以51單片機(jī)為控制核心,由正弦信號(hào)發(fā)生模塊組成。采用數(shù)控的方法控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生1Hz-35MHz正弦信號(hào),1Hz-1MHz方波,輸出方波頻率為500KHz時(shí)上升沿和下降沿有點(diǎn)失真,幅度為5V,最高輸出正弦波頻率為35MHz無(wú)失真,幅度為0.6V。測(cè)試信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的1kHz正弦信號(hào)。

關(guān)鍵詞:直接數(shù)字頻率合成,AD9850

1引言

1.1課題研究的意義與作用

1971年,美國(guó)學(xué)者j.Tierney等人撰寫(xiě)的“A Digital Frequency Synthesizer”-文首次提出了以全數(shù)字技術(shù),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原理。限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和器件水平,它的性能指標(biāo)尚不能與已有的技術(shù)相比,故未受到重視。近10年間,隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱DDS[2]或DDFS)得到了飛速的發(fā)展,它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的姣姣者。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面,并具有極高的性價(jià)比。

1.2 DDS的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

在頻率合成(FS, Frequency Synthesis)領(lǐng)域中,常用的頻率合成技術(shù)有模擬鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)、小數(shù)分頻鎖相環(huán)(fractional-N PLL Synthesis)等,直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesis-DDS)是近年來(lái)新的FS技術(shù)。單片集成的DDS產(chǎn)品是一種可代替鎖相環(huán)的快速頻率合成器件。DDS是產(chǎn)生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優(yōu)先選用技術(shù)。DDS以穩(wěn)定度高的參考時(shí)鐘為參考源,通過(guò)精密的相位累加器和數(shù)字信號(hào)處理,通過(guò)高速D/A變換器產(chǎn)生所需的數(shù)字波形(通常是正弦波形),這個(gè)數(shù)字波經(jīng)過(guò)一個(gè)模擬濾波器后,得到最終的模擬信號(hào)波形。如圖1所示,通過(guò)高速DAC產(chǎn)生數(shù)字正弦數(shù)字波形,通過(guò)帶通濾波器后得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬正弦波信號(hào),最后該模擬正弦波與一門(mén)限進(jìn)行比較得到方波時(shí)鐘信號(hào)。

DDS系統(tǒng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外,DDS的固有特性還包括:相當(dāng)好的頻率和相位分辨率(頻率的可控范圍達(dá)μHz級(jí),相位控制小于0.09°),能夠進(jìn)行快速的信號(hào)變換(輸出DAC的轉(zhuǎn)換速率300百萬(wàn)次/秒)。這些特性使DDS在軍事雷達(dá)和通信系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。

其實(shí),以前DDS價(jià)格昂貴、功耗大(以前的功耗達(dá)Watt級(jí))、DAC器件轉(zhuǎn)換速率不高,應(yīng)用受到限制,因此只用于高端設(shè)備和軍事上。隨著數(shù)字技術(shù)和半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展,DDS芯片能集成包括高速DAC器件在內(nèi)的部件,其功耗降低到mW級(jí)(AD9850在3.3v時(shí)功耗為650mW),功能增加了,價(jià)格便宜。因此,DDS也獲得廣泛的應(yīng)用:現(xiàn)代電子器件、通信技術(shù)、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)線、PCS/PCN系統(tǒng)、雷達(dá)、衛(wèi)星通信。

2DDS信號(hào)源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1]

2.1正弦波生成方案

采用單片機(jī)最小系統(tǒng)與AD9850并行接口方式對(duì)時(shí)鐘頻率進(jìn)行分頻控制,再連接鎖相環(huán),是輸出波形的頻率更加穩(wěn)定。如圖2所示,AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器,能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。AD9850是以高速的直接數(shù)字合成器(DDS)為核心根據(jù)設(shè)定的32位頻率控制字和5位相移控制字,可產(chǎn)生0.029Hz到62.5MHz的正弦波信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)的方波信號(hào),而且DDS芯片轉(zhuǎn)換速度快、性能價(jià)格比高、體積小、輸出波形穩(wěn)定度,精度高、分辨率高,而且輸出波形的頻率、相位可控,能達(dá)到題目預(yù)期的效果,操作方便,易于實(shí)現(xiàn)。

2.2正弦波的生成

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)[3]最小系統(tǒng)中的AT89S52與AD9850芯片的接口采用的是8位并行接口方式。AD9850的頻率/相位控制字一共有40位,并行加載時(shí),要連續(xù)加載5次,D7位最高位,D0位最低位。頻率相位控制字的第一個(gè)8位中的5位用來(lái)控制相位的調(diào)制,1位用來(lái)低功耗,2位用于裝載格式。第2個(gè)字節(jié)到第5個(gè)字節(jié)組成32位的頻率控制字,其輸出信號(hào)的頻率f=fclk*wd/232 ,其中f 為32位頻率控制字的值,fclk為工作時(shí)鐘。AT89S52的P2口(P2.0腳～P2.7腳)與AD9850的數(shù)據(jù)口(D0腳～D7腳)相接,AD9850的第7腳WCLK是加載時(shí)鐘,與引腳FQUD配合,完成數(shù)據(jù)加載,FQUD為頻率/相位更新控制。用單片機(jī)的P1.3與P1.1分別與AD9850的WCLK和FQUD相連接,模擬控制字寫(xiě)入時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的定入。本設(shè)計(jì)中AD9850選用的時(shí)鐘為100MHz。AD9850波形的輸出頻率可以達(dá)到幾十MHz。

利用AT89S52來(lái)進(jìn)行鍵盤(pán)控制1602字符顯示屏來(lái)顯示。初始化時(shí),由芯片AT89S52控制的1602字符顯示屏顯示“2008 劉濤制作”,當(dāng)按下S1建時(shí),步進(jìn)值為1KHZ;按下S2建時(shí),步進(jìn)值為負(fù)1KHZ;按下S3建時(shí),步進(jìn)值為10KHZ;按下S4建時(shí),步進(jìn)值為負(fù)10KHZ;按下S5建時(shí),步進(jìn)值為100KHZ;按下S6建時(shí),步進(jìn)值為負(fù)100KHZ;于此同時(shí)1602字符顯示屏將實(shí)時(shí)顯示輸出頻率值,顯示當(dāng)前步進(jìn)值,顯示輸出頻率的單位。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件功能的實(shí)現(xiàn)

程序全部由單片機(jī)的C語(yǔ)言編寫(xiě),由正弦信號(hào)發(fā)生模塊、1602顯示模塊、鍵盤(pán)控制模塊、漢字輸入歡迎詞模塊以及測(cè)試信號(hào)發(fā)生模塊組成。采用數(shù)控的方法控制DDS芯片AD9850產(chǎn)生0Hz-35MHz正弦信號(hào),1Hz-1MHz方波,輸出方波頻率為500KHz時(shí)上升沿和下降沿有點(diǎn)失真,幅度為5V,最高輸出正弦波頻率為35MHz無(wú)失真,幅度為0.6V。測(cè)試信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的1kHz正弦信號(hào)。

3.2 軟件流程圖

3.2.1 總設(shè)計(jì)流程圖

在對(duì)系統(tǒng)初始化后,LED顯示2008 劉濤,同時(shí)AD9850都產(chǎn)生1KHz的正弦波和方波。作為信號(hào)發(fā)生器的AD9850將在鍵盤(pán)的控制下產(chǎn)生預(yù)定的正弦波和方波。設(shè)計(jì)流程圖如圖3-1所示。

3.2.2 外設(shè)流程圖

作為人機(jī)界面的鍵盤(pán)和1602字符顯示屏通過(guò)AT89S52來(lái)控制。 能識(shí)別鍵盤(pán)上按下鍵的信號(hào);可充分提高CPU的工作效率。 AT89S52接口方便,由它構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)/顯示器接口在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用越來(lái)越廣泛。鍵盤(pán)和LED的軟件流程圖如圖3-2所示。

3.2.3 AD9850流程圖

由于沒(méi)有對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM),對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)幅或調(diào)頻。因此用一片AT89S52來(lái)控制AD9850,接口已經(jīng)足夠,所以沒(méi)利用8155擴(kuò)展I/O口。如圖3-3。

4結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)主要涉及到電路設(shè)計(jì)、硬件電路的調(diào)試以及程序的調(diào)試等過(guò)程,需要對(duì)51系列單片機(jī)、DDS、信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的了解,分析電路等方面的能力,并且需要對(duì)AT89C51、AD9850、等所用芯片有所了解。為了發(fā)揮其更大的功能,還需深入研究。

參考文獻(xiàn):

[1]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試[M].武漢:華中理工大學(xué)出版社,1994:89-117.

[2]李友平.直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的原理與設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù),1992(11).

[3]馬忠梅,籍順心.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003:102-109.