基于AD9854的多功能高精度DDS信號源設(shè)計

張 錚，胡 婷

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

基于AD9854的多功能高精度DDS信號源設(shè)計

張 錚，胡 婷

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

為得到性能更好、價格更加低廉的高精度信號源，文中提出了通過采用AD9854芯片實現(xiàn)多功能高精密DDS信號源設(shè)計。在系統(tǒng)設(shè)計過程中不僅通過程控技術(shù)實現(xiàn)對波形的控制，而且應(yīng)用單片機程序?qū)?shù)字信號進行處理。將AT89C51單片機與AD9854芯片相結(jié)合，實現(xiàn)了信號從數(shù)字量到模擬量之間的轉(zhuǎn)換，通過模擬仿真和實際測試，測試結(jié)果表明，所設(shè)計的DDS信號源完成了高精度多功能DDS信號源的設(shè)計和模擬實現(xiàn)。

信號源；單片機；DDS技術(shù)；AD9854

DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)相比傳統(tǒng)的信號源器件，具有體積小和功耗低等特點，因此DDS技術(shù)的更新是新一代信號源發(fā)展的標(biāo)志[1-4]。DDS信號源具有輸出相位連續(xù)、轉(zhuǎn)換頻率時間短、頻率的分辨率高、可程控、相對帶寬較寬等優(yōu)點，適用于全數(shù)字式信號控制[5]。因此設(shè)計一個可靠性強、精準(zhǔn)度高、頻率范圍大的信號源是提高電子儀器儀表的性能的基礎(chǔ)。

本文主要以高性能直接數(shù)字頻率合成芯片AD9854與單片機AT89C51相結(jié)合為核心，敘述了DDS信號源的設(shè)計，包括總的電路結(jié)構(gòu)和單元電路的設(shè)計，并通過實驗證明本系統(tǒng)可以實現(xiàn)信號源的運行[6-7]。

1 系統(tǒng)總體電路結(jié)構(gòu)

總的電路結(jié)構(gòu)由信號產(chǎn)生、數(shù)據(jù)控制與處理和人機交互3大類組成[8]。信號產(chǎn)生過程包括D/A轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換(SN54LVTH16625)和DDS、低通濾波等部分。數(shù)據(jù)的控制與處理及D/A轉(zhuǎn)換由單片機實現(xiàn)，用于對AD9854進行高速調(diào)節(jié)。人機交互部分指的是鍵盤和液晶顯示器。

系統(tǒng)的工作原理如下：開始工作的時候可以在鍵盤上輸入指令，并會在液晶顯示模塊顯示出來，單片機可以將輸入的信號反饋給數(shù)據(jù)處理模塊進行D/A轉(zhuǎn)換等，輸出的信號經(jīng)過電頻轉(zhuǎn)換模塊進行數(shù)據(jù)處理，將轉(zhuǎn)換后的頻率控制數(shù)字傳輸給AD9854芯片進行處理，然后經(jīng)過DDS的數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生模擬信號，最后通過低通濾波器就能夠得到所需要的信號[9]。設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)在運行的過程中需要對單片機進行一定的軟件設(shè)計，來實現(xiàn)控制與數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)。為了證明本文設(shè)計的DDS信號源能夠成功輸出常規(guī)波形，不僅挑選了正弦波、三角波、方波等常見波形，還有ASK、FSK、PSK等調(diào)制波形，來實現(xiàn)信號源的設(shè)計[10]。

系統(tǒng)的軟件運行程序如下：程序初始化，先判斷功能鍵是否按下，若功能鍵沒有按下，返回初始化狀態(tài)；若功能鍵按下，則判斷三角波、方波、正弦波、FSK、PSK、ASK波形選擇鍵是否按下；若三角波、方波、FSK、PSK、ASK按下，直接輸出相應(yīng)波形；若正弦波鍵按下，確定點頻或掃頻鍵是否按下，點頻鍵按下，則輸入點頻頻率，掃頻鍵按下，則根據(jù)需要改變掃頻上下限、掃頻步進[11]。單片機的控制系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2 單片機的控制系統(tǒng)主流程圖

3 單元電路設(shè)計

3.1 液晶顯示電路設(shè)計

由于考慮到輸出頻率值、掃頻上限、掃頻下限和掃頻步進等因素，采用液晶1602作為顯示器。液晶1602是由控制器HD44880、驅(qū)動HD44100和液晶板3部分構(gòu)成[12]。HD44880雖然是是驅(qū)動控制器，但是它不足以驅(qū)動此液晶顯示器，因此通過增加HD44100驅(qū)動器來對其進行驅(qū)動控制。將液晶1602與單片機相連接實現(xiàn)信息顯示功能，從而準(zhǔn)確的看到系統(tǒng)的輸入頻率，其接口的連接如圖3所示。

圖3 液晶1602硬件電路圖

3.2 低通濾波器電路

由于DDS信號源會輸出時鐘信號以及元器件本身存在一定的噪聲干擾，需要對輸出信號進行低通濾波，本文設(shè)計了新的低通濾波器。首先利用濾波器歸一化設(shè)計表格來計算需要的電容和電感值，初步進行電路設(shè)計，然后通過軟件仿真設(shè)計的電路，對電路結(jié)構(gòu)以及電容電感值進行調(diào)整。最后經(jīng)過改進得到的低通波濾器的仿真電路如圖4所示。

圖4 低通濾波器的仿真電路

于此同時，可以測得仿真電路的幅頻特性曲線圖，頻率為選用常用的輸出頻率120 MHz，這樣得到的低通濾波器幅頻特性曲線圖如圖5所示。

圖5 120 MHz低通濾波器幅頻特性曲線圖

4 測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

實驗通過鍵盤改變和控制頻率的輸入，在液晶上也會顯示相應(yīng)的輸入頻率，可以使用示波器來觀察測量頻率和輸出幅度，測試得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 信號源點頻誤差測試

測試數(shù)據(jù)表明：所設(shè)計的DDS信號源可以產(chǎn)生1 Hz～120 MHz正弦波，而且相對誤差<10-4，達到了設(shè)計要求[13]。也可以測得幾種輸出波形，測試結(jié)果如圖6所示。

模擬仿真和實際測試都可以表明，設(shè)計的DDS信號源能夠滿足正弦波、三角波、方波等常見波形的輸出，還能夠輸出ASK、FSK、PSK等調(diào)制波形。所以證明本文所設(shè)計的系統(tǒng)完全滿足要求，可以運行。

圖6 輸出兩路相互正交的正弦波

5 結(jié)束語

本文采用電平轉(zhuǎn)換模塊和單片機作為中央控制器，使用AD9854芯片作為頻率產(chǎn)生器并且利用DDS技術(shù)來合成頻率進而完成對信號源的設(shè)計。通過鍵盤錄入信號源的參數(shù)，同時會在液晶屏上顯示輸入數(shù)據(jù)[14-15]。本文完成了總體的方案設(shè)計、電平轉(zhuǎn)換、單片機與DDS的電路設(shè)計、波形變換電路的設(shè)計以及軟件設(shè)計等。仿真以及測試表明，基于AD9854芯片所設(shè)計的DDS信號源，同樣可以產(chǎn)生高精密的正弦波、三角波、方波，還能輸出ASK、FSK、PSK等調(diào)制波

形。用AD9854來實現(xiàn)DDS信號源，能夠更加突出DDS信號源的高頻率分辨率(10～6 Hz)、更快的頻率轉(zhuǎn)換速度(ns級)、輸出頻譜純等特點，有很較的實用價值。與目前存在的信號源在精度、帶寬、穩(wěn)定性等方面的性能都有所提高，值得進一步研究。

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Design of DDS Signal Source with Multi-function and High Precision Based on AD9854

ZHANG Zheng，HU Ting

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

In order to get a high precision signal source in which has better performance and cheaper price. A research had been put forward to make a design of DDS signal source, and it was based on the chip AD9854. Not only use the program control technology to realize the waveform control, but also use single-chip microcomputer to process digital signal in the design process of the system. After that, combined the single-chip microcomputer AT89C51 and the chip AD9854 to make the conversion from digital to analogue be come true, accomplished design and simulating implementation in high precision and multifunction DDS signal source.

signal source; microcontroller; DDS techniques; AD9854

2016- 08- 15

張錚(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：信號與信息處理。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.050

TN942

A

1007-7820(2017)03-182-03