直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的改進設計

陳鍵

【摘 要】本文介紹了一種改進的直接數(shù)字頻率合成器的設計原理，詳細討論了DDS頻率合成技術及系統(tǒng)軟件、硬件的設計。

【關鍵詞】DDS；可控分頻器；單片機

頻率源是雷達、通信、電子對抗等電子系統(tǒng)實現(xiàn)高性能指標的關鍵。在現(xiàn)代電子學的各個領域常常需要高精度且頻率可方便調節(jié)的信號源。傳統(tǒng)的頻率合成器已不能適應技術發(fā)展的需要，直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis）簡稱DDS或DDFS，是隨之發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術，它是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術。一般采用相位累加器和幅碼編址器對存儲器進行尋址，過于復雜并且電路調試有一定難度，濾波器精確度要求很高，頻率很高時波形不光滑且容易失真。本文針對這一不足進行了改進。

一、改進的直接數(shù)字頻率合成器設計框圖

該系統(tǒng)全面采用數(shù)字電路方案，因而工作穩(wěn)定可靠，利用單片機控制管理，使頻率預置和占空比調整等操作可用鍵盤輸入，十分方便，數(shù)字頻率合成技術使輸出頻率準確度和穩(wěn)定度得到提高，頻率分辨率為1HZ。

二、系統(tǒng)的總體設計思路

該系統(tǒng)分為單片機處理與控制部分兩大部分，單片機采用89C51，通過一塊接口芯片8255與鍵盤和顯示器連在一起，因顯示的位數(shù)只四位，故采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，軟件譯碼，采用2*8的鍵盤進行預置數(shù)輸入，控制，鍵盤上共有0—9個數(shù)字鍵、6個功能鍵；利用單片機的輸出來控制可控分頻器，然后通過計數(shù)器對可控分頻器的輸出脈沖進行計數(shù)，把8位計數(shù)器的輸出作為一個地址碼，將這個地址碼作為存儲器的讀寫地址，從存儲器中取出預先存放的各種量化數(shù)據(jù)，經DAC0832進行D/A轉換，最后通過濾波器輸出一個頻率受鍵盤控制的正弦波。經過對DDS的改進后，該系統(tǒng)能產生1HZ—9999HZ的頻率，頻率可由鍵盤進行預制，并且輸出頻率可通過顯示器進行數(shù)碼顯示。

1、單片機控制部分的設計：

1）顯示器部分的設計

顯示器采用數(shù)碼管進行顯示，數(shù)碼管成本低、性能穩(wěn)定。采用四個共陰極的數(shù)碼管，將四個數(shù)碼管的8個段碼端全部并聯(lián)到一起，然后分別將四個數(shù)碼管的位控制器接到PC口，當顯示千位時，PC口輸出位碼7FH；PB口輸出經過譯碼后的顯示數(shù)的段碼，從而在千位上顯示一個千位數(shù)，能后依次百位，十位，個位，這樣一個周期下來，四個數(shù)碼管依次被點亮了一次，根據(jù)人眼的視覺暫留特性，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)，通過控制不同的位碼來顯示不同的數(shù)據(jù)位，在程序延時等其他情況下，都調用顯示程序，盡可能減少顯爍感，不影響整個的視覺效果。利用偉幅仿真器仿真，下圖為顯示器的流程圖。

2）鍵盤部分的設計

采用8255動態(tài)掃描鍵盤，2*8鍵盤，有16個按鍵，0—9個數(shù)字鍵，+1，-1，+10，-10，清零鍵，確認等6個功能鍵。

8255的PA口作為掃描口，從8255PA口輸出高電平，逐列進行掃描，在P2口的第4、5位為輸入腳，通過P2口接收電平的高低和8225PA口8位輸出的狀態(tài)，綜合起來判定是哪個按鍵按下，在程序中間加一個消抖電路，然后將掃描回來的鍵值，通過處理子程序進行處理從而根據(jù)按鍵的不同功能實現(xiàn)不同的控制。仿真掃描部分流程圖如下。

2、頻率合成部分的設計

1）可控分頻器的設計

可控分頻器主要利用MC14527系列集成來實現(xiàn)，其基本工作原理如下圖所示，高位置數(shù)K1，低位置數(shù)K2，在10個CP脈沖內，14527（1）Q端輸出K1個脈沖，同時由其INHOUT斷禁止低位14527（2）對CP進行比例分配，這樣K1個脈沖通過14527（2）從fout直通輸出，10個CP脈沖結束時，14527（1）的INHOUT端發(fā)出一個使能脈沖，則可以有一個脈沖從14527（2）CP端進入。那么在100個脈沖內，有10*K1個脈沖在fout處直通輸出，有10個脈沖從14527（2）的CP端進入。按K2值比例分配后有K2個脈沖在fout處輸出，fout共送出10*K1+K2個脈沖，即fout=（10K1+K2）fin/100。

四級14527級聯(lián)，預置K1、K2、K3、K4后，其級聯(lián)輸出頻率為fout=（1000K1+100K2+10K3+K4）fin/10000晶振電路輸出頻率fin=10KHZ，則FOUT=[10000（1000K1+100K2+10K3+K4）]/10000HZ，即級聯(lián)輸出為預置頻率的（1000*K1+100*K2+10K3+K4）倍頻，ROM數(shù)據(jù)表中100個采樣點代表一個周期，這樣就可以實現(xiàn)數(shù)控輸出頻率。輸出頻率的穩(wěn)定度與精度完全取決于晶振精度，頻率極穩(wěn)定，無跳頻現(xiàn)象。

兩級14527的級聯(lián)

2）計數(shù)器的設計

如下圖所示采用2片74LS161作為一個8位的100進制計數(shù)器，對MC14527輸出的脈沖進行計數(shù)，當計到100的時候的計數(shù)器清零，然后又重新開始新一輪計數(shù)，同時8位計數(shù)器的輸出值作為一個位地址對存儲器2716進行尋址。

3）存儲器

在存儲器中存儲了100個采樣點127sin（nψ+1）（其中ψ=2π/100），這100個采樣點以1V、1HZ頻率為基準，將這100個采樣點存入2716，最終在2716的9-17腳輸出一連串的數(shù)據(jù)信號，然后通過DA0832進行轉換。

4） D/A轉換和低通濾波

DA0832把2716輸出的二進制數(shù)據(jù)轉換為模擬信號。用示波器可以看出這些模擬信號中有一些鋸齒，波形不夠光滑，因此增加一個低通濾波器從而在輸出端得到一系列頻率不同的正弦波。因為我們采用了100個取樣點，所以只要用一個很簡單的低通濾波器就可以得到比較光滑的波形。

三、直接數(shù)字頻率合成器電路圖（見附圖）

四、結論

本設計直接數(shù)字頻率合成器采用可控分頻器和計數(shù)器取代了采用相位累加器的直接數(shù)字頻率合成器中的幅碼編址，累加器，降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的難度，同時也方便了系統(tǒng)的調試，降低整個系統(tǒng)成本。

參考文獻：

[1] 清華大學電子教研組編，閻石主編：《數(shù)字電子技術基礎》（第四版），北京，高等教育出版社，1998年.

[2] 濱州學院學報，李建磊等編《直接數(shù)字頻率合成器（DDS）精度提高方法研究》，2006年6月.

[3] 王家禮等編著《頻率合成技術》，西安電子科技大學出版社，2009年.

附圖：直接數(shù)字頻率合成器電路圖