基于DSP和DDS技術(shù)相位及頻率嚴(yán)格可調(diào)的多路同步信號(hào)發(fā)生器*

鄧 騰，吳校生，周曉玲，陳文元，張衛(wèi)平，崔 峰，劉 武

(微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院，上海200240)

在各類(lèi)信號(hào)發(fā)生器中，我們通常需要產(chǎn)生高穩(wěn)定性的頻率信號(hào)輸出，一般是通過(guò)頻率合成的方式來(lái)完成的，頻率合成是指從一個(gè)高穩(wěn)定的參考頻率，經(jīng)過(guò)各種技術(shù)處理形成一系列穩(wěn)定的頻率輸出［5］。傳統(tǒng)的直接頻率合成器體積大、硬件成本高;鎖相環(huán)路法頻率分辨率低、頻率跳變速度慢［2］。直接數(shù)字頻率合成(DDS)是現(xiàn)在發(fā)展起來(lái)的一種新的頻率合成技術(shù)。DDS的優(yōu)點(diǎn)是:相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，頻率分辨率很高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于繼承，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控［8，10］，因此能夠和計(jì)算機(jī)緊密地結(jié)合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。本文以TI公司的TMS320F2812型DSP為核心處理器，對(duì)DDS芯片AD9833進(jìn)行程控從而實(shí)現(xiàn)合成頻率的輸出。利用DSP多引腳輸出的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多塊DDS芯片的程控，通過(guò)軟件編譯，實(shí)現(xiàn)相位嚴(yán)格可調(diào)的多路信號(hào)產(chǎn)生［6，9］。傳統(tǒng)的多路固定相位差的信號(hào)發(fā)生主要是通過(guò)RC移相電路實(shí)現(xiàn)的，這樣產(chǎn)生的信號(hào)容易幅值發(fā)生衰減，而且相位差不夠精確，而且相位差的調(diào)整改變相對(duì)復(fù)雜。本文中采用的程序控制產(chǎn)生移相信號(hào)能夠得到相位差穩(wěn)定且嚴(yán)格可調(diào)的無(wú)衰減信號(hào)［2，4］。

1 系統(tǒng)基本原理

1.1 DDS工作原理

可編程DDS的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N bit相位寄存器組成，N一般為24～32，AD9833為28 bit的相位累加器。每來(lái)一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng)M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢(xún)表地址上。正弦查詢(xún)表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅值信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)0°到360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)［1］。

AD9833中使用的DDS技術(shù)是從連續(xù)信號(hào)的相位出發(fā)，將一個(gè)正弦信號(hào)取樣、量化、編碼，形成正弦查詢(xún)表。合成是改變相位增益，由于相位增益不同，一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)就不同，產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率也不同，達(dá)到頻率合成的效果。正弦波信號(hào)是非線性的，而其相位是線性的，因此每隔Δt(時(shí)間周期)有對(duì)應(yīng)的相位變化。Δt，即:

所以合成的頻率信號(hào)為:

其中Δt=1/fm。由式(2)可以看出改變?chǔ)可以得到不同的f0值。

DDS芯片AD9833原理框圖如圖1。

圖1 DDS原理框圖

圖1所示的是DDS芯片工作的原理框圖，進(jìn)行的是DA數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過(guò)相位累加器反映到正弦查詢(xún)表上，正弦查詢(xún)表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅值信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波0°～360°范圍內(nèi)的一個(gè)相位點(diǎn)，查詢(xún)表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅值信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)控制頻率、相位都可調(diào)的正弦波。

其中相位累加器為28 bit的，取其高14 bit作為讀取正弦波寄存器地址，對(duì)應(yīng)波形相位變化為:

因此，合成頻率與頻率控制字K直接相關(guān):

設(shè)定參考頻率，K取值范圍為1＜K＜228。

1.2 DDS多路相位控制原理

目前，單片芯片能夠多通道輸出信號(hào)的芯片很少，而且價(jià)格昂貴，因此，可以用多片單通道DDS產(chǎn)生多路信號(hào)，難點(diǎn)是如何控制多路信號(hào)的同步與相位差。傳統(tǒng)控制多路信號(hào)移相的方法是通過(guò)RC移相電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣的移相方法產(chǎn)生的多路信號(hào)容易發(fā)生幅值不穩(wěn)定以及信號(hào)衰減的問(wèn)題。一般采用的低通RC移相電路，傳遞函數(shù)為:

我們所需要的是兩路相位差90°的信號(hào)，而RC移相電路在90°相位移動(dòng)時(shí)幅值的衰減幾乎達(dá)到了無(wú)限。幅值在理論上可以通過(guò)放大電路放大，但實(shí)際上過(guò)小的幅值其抗干擾能力將會(huì)大幅變小，使波形劇烈失真;即使幅值可以經(jīng)過(guò)后級(jí)補(bǔ)償，但是此電路永遠(yuǎn)達(dá)不到90°的相移，只能無(wú)限接近，使得電路的性能指標(biāo)下降。傳統(tǒng)的解決辦法是采用多級(jí)RC移相電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這樣會(huì)使得電路趨于復(fù)雜而產(chǎn)生更多的失真與干擾等問(wèn)題。［2，4］

本文中實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的相位移動(dòng)的辦法是直接使用DSP控制多塊DDS的控制字來(lái)實(shí)現(xiàn)。產(chǎn)生多路固定的相位差信號(hào)同樣需要注意同步問(wèn)題。主要影響因素有:

(1)所有DDS時(shí)鐘源之間相位差要小于最小限度，因此在PCB布局時(shí)使時(shí)鐘源達(dá)到各路DDS的走線等長(zhǎng)，以保證參考時(shí)鐘到達(dá)DDS系統(tǒng)具有相同的時(shí)鐘沿。

(2)在DDS系統(tǒng)上電之后傳送數(shù)據(jù)之前應(yīng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，它能使DAC輸出處于一個(gè)相同的狀態(tài)，成為一個(gè)共同的參考點(diǎn)，從而使DDS同步。

在兩路DDS能夠同步輸出的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制DDS芯片接受相同的時(shí)鐘沿信號(hào)，即相同的MCLK信號(hào)與FSYNC使能信號(hào)脈沖，并改變DDS芯片的相位控制字，就可以輕松實(shí)現(xiàn)多路DDS信號(hào)的相位嚴(yán)格控制。［5-6］

2 多路固定相位差DDS信號(hào)發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)

多路相位嚴(yán)格可調(diào)DDS信號(hào)發(fā)生器包括控制核心和DDS信號(hào)產(chǎn)生模塊。本設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為控制核心，通過(guò)TMS320F2812的GPIO口來(lái)傳遞控制字和工作時(shí)序。以?xún)陕废辔徊?0°的DDS信號(hào)為例，DDS信號(hào)產(chǎn)生模塊由兩片AD9833實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的硬件電路和外圍接口如下圖2所示。

圖2所示為利用DSP輸出控制字控制兩片AD9833芯片產(chǎn)生相位差嚴(yán)格90°的信號(hào)發(fā)生器電路，兩路信號(hào)發(fā)生之后分別經(jīng)過(guò)一個(gè)一階高通濾波器，完成基本的濾波，調(diào)節(jié)偏置。兩片AD9833芯片共用一個(gè)晶振信號(hào)，信號(hào)頻率為 25 MHz。［3，6］

兩片AD9833共用參考時(shí)鐘頻率SCLK，對(duì)應(yīng)F2812的 GPIOA0口;頻率更新信號(hào) FSYNC，對(duì)應(yīng)GPIOA2口;外部參考時(shí)鐘頻率MCLK，連接到晶振信號(hào)輸出。而F2812的GPIOA1口和GPIOA3口分別控制兩片AD9833的控制字加載，實(shí)現(xiàn)串行加載，可以分別實(shí)現(xiàn)不同頻率和不同相位的控制。通過(guò)程序控制GPIO口模擬SCLK與FSYNC的時(shí)序信號(hào)，并發(fā)送對(duì)應(yīng)控制字信號(hào)結(jié)合時(shí)序信號(hào)對(duì)AD9833進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)VOUT端口波形良好的正弦波信號(hào)輸出［7］。

圖2 多路相位嚴(yán)格可調(diào)DDS信號(hào)發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì)

3 多路固定相位差DDS信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)

AD9833有16 bit控制字，其中兩位是用于選擇工作方式，AD9833有一個(gè)28 bit的相位累加器，2個(gè)28 bit的頻率寄存器FREQ0和FREQ1用于設(shè)定K值，2個(gè)12 bit的相位寄存器用于設(shè)定相位值。16 bit控制字前兩位用于選擇工作模式，00為寫(xiě)入控制字，01為寫(xiě)入14 bit頻率字頻率寄存器FREQ0，10為寫(xiě)入14 bit頻率寄存器FREQ1，11為寫(xiě)入相位控制字12 bit到相位寄存器PHASE0和PHASE1。

DDS輸出正弦波頻率計(jì)算公式為:

式(6)中:fout為輸出正弦波頻率，ΔPHASE為頻率控制字，CLKIN為系統(tǒng)時(shí)鐘源頻率，N為相位累加器位數(shù)。因此DDS的頻率分辨率為:

AD9833的相位累加器位數(shù)N=28采用25 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘源頻率，輸出信號(hào)頻率為2 MHz，根據(jù)式(6)計(jì)算得到的AD9833的頻率控制字為:MSB高14 bit 0x4083，LSB 低 14 bit 0x45fc。AD9833擁有12 bit的相位寄存器，相位調(diào)整精度為0.087 9°，相位精度很高。［7］

下圖為設(shè)計(jì)核心AD9833的控制字輸入部分的程序流程框圖，整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分由C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)，在完成初始化、顯示等功能后，根據(jù)AD9833的控制字方式，通過(guò)TMS320F2812按照AD9833的時(shí)序控制字寫(xiě)入到AD9833的內(nèi)部寄存器中，完成頻率信號(hào)合成。

圖3所示為AD9833芯片的控制字寫(xiě)入流程圖，由于控制字?jǐn)?shù)據(jù)寫(xiě)入是串行接口，DDS芯片讀取高低電平信號(hào)組合成控制字，確定工作模式，選擇寫(xiě)入頻率控制字的模式，是連續(xù)寫(xiě)入28 bit控制字或者分別寫(xiě)入14 bit頻率控制字，抑或選擇寫(xiě)入12 bit的相位控制字。而AD9833的數(shù)據(jù)寫(xiě)入是同步信號(hào)，所以在控制字發(fā)送到SDATA口的同時(shí)，SCLK表現(xiàn)為下降沿，而FSYNC接口必須為低電平信號(hào)，這樣才能實(shí)現(xiàn)控制字的完整寫(xiě)入，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)AD9833 芯片的軟件控制。［12］

圖3 AD9833控制字寫(xiě)入流程圖

GPIO口控制輸入AD9833的控制字，由于共用SCLK和FSYNC，能夠?qū)崿F(xiàn)兩片AD9833的頻率控制字和相位控制字同時(shí)輸入，并同時(shí)產(chǎn)生頻率信號(hào)，通過(guò)給給AD9833輸入相同的頻率控制字和相位差90°的相位控制字，實(shí)現(xiàn)兩路相位嚴(yán)格可調(diào)的頻率信號(hào)的產(chǎn)生。［6，11］

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用的DDS芯片AD9833和DSP控制器TMS320F2812成功實(shí)現(xiàn)多路相位嚴(yán)格可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器，可以輸出多路相位差嚴(yán)格可調(diào)、頻率相同或可調(diào)的正弦波信號(hào)。多路信號(hào)也可獨(dú)立使用，且信號(hào)穩(wěn)定，頻率分辨率高。由于芯片接口為串行接口，占用DSP的GPIO口比較少，因此可以進(jìn)行大量芯片的同步信號(hào)或固定相位差信號(hào)的產(chǎn)生。

由于90°和180°相位差對(duì)比比較強(qiáng)烈，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用90°相位差和180°相位差進(jìn)行對(duì)比，AD9833產(chǎn)生的頻率范圍比較小，因此主要采用200 kHz的頻率信號(hào)說(shuō)明信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

用示波器顯示DDS系統(tǒng)生成的多路相位嚴(yán)格可調(diào)信號(hào)，如圖4所示，兩路頻率均為200 kHz，相位差為90°的信號(hào)。圖5所示兩路頻率200 kHz，相位差為180°的信號(hào)。

圖4 頻率200 kHz，相位差90°

圖5 頻率200 kHz，相位差180°

圖4所示為200 kHz頻率的兩路相位差90°的信號(hào)，通過(guò)控制字的調(diào)整可以得到180°相位差的兩路信號(hào)，如圖5所示。90°相位差頻率字為0xC000和 0xC400;180°相位差頻率字為 0xC000和0xC8000。由上面兩張圖片可以看出由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)頻率穩(wěn)定，頻率準(zhǔn)確性很高，而相位差也很準(zhǔn)確。

圖6、圖7采用的是2 MHz的頻率信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，采用的相位差也是90°和180°進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。對(duì)比展示信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的多路信號(hào)相位嚴(yán)格可調(diào)以及相位差穩(wěn)定、精確的特性。

圖6 頻率200 kHz，相位差90°

圖7 頻率2 MHz，相位差180°

圖6所示為頻率2 MHz的相位差90°的兩路信號(hào)，圖7所示為頻率2 MHz相位差180°的兩路信號(hào)。由圖6和圖7可以看出本文所訴的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的兩路信號(hào)相位穩(wěn)定性和精確性。而且改變信號(hào)的頻率和相位差只需要改變程序中輸入控制字的數(shù)據(jù)即可，相比硬件電路而言更為簡(jiǎn)單方便，適應(yīng)性強(qiáng)。因此本電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)發(fā)生器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)相位差嚴(yán)格可調(diào)，還能實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整。可以滿(mǎn)足各類(lèi)信號(hào)源的需求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于 DDS芯片 AD9833和TMS320F2812為控制器的電磁懸浮微馬達(dá)多路固定相位差DDS信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。利用多片DDS芯片AD9833來(lái)產(chǎn)生多路信號(hào)，并控制使其得到固定相位差，且相位差可調(diào)。多路信號(hào)可以協(xié)調(diào)使用產(chǎn)生特定的相位差或者實(shí)現(xiàn)同步，也可單獨(dú)使用，且均可做到相位、頻率可調(diào)。采用串行加載方式，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多路信號(hào)發(fā)生器。

該信號(hào)發(fā)生器可輸出多路頻率和相位可調(diào)的正弦波和方波，實(shí)驗(yàn)表明波形頻率穩(wěn)定性好，低頻準(zhǔn)確度高，相位分辨率高，相位差精準(zhǔn)?？梢詮V泛應(yīng)用于科研工作及實(shí)際應(yīng)用中。

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