基于DDS技术的信号发生器设计

摘 要：介绍了一种基于DDS技术的信号发生器的设计方案,给出了DDS工作原理及主要特点、信号发生器的硬件电路及软件流程.该信号发生器通过AT89C51单片机控制DDS芯片AD9851产生相位、频率可控的正弦信号,并配置了相应的键盘输入及显示等外部接口电路,采用汇编语言实现软件控制,电路简单,可靠性高.

关 键 词：信号发生器；DDS；频率转换；正弦输出

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3196-03

信号发生器是一种常用的信号源.随着电子技术的发展,对信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围提出了越来越高的要求,幅值、波形和频率可调的信号发生器广泛应用于智能仪表、外设控制等方面.该文根据实际需要,采用高性能的DDS（数字合成）芯片AD9851设计了一种信号发生器,实现了合成信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一.

1DDS工作原理和主要特点

图1为典型的DDS模型构成.其中K代表频率控制字,P表示相位控制字,W表示波形控制字,fC为参考时钟频率,N表示相位累加器的字长,L表示ROM的地址位数,D表示ROM的数据位数以及D/A转换器的字长.

图1DDS构成及原理

DDS工作原理：相位累加器在fC的控制下以步长K做累加,输出的N位二进制码与P、W相加后,取其高L位作为波形存储器ROM的地址对波形ROM进行寻址,波形ROM寻址输出的D位幅度码S（n）经D/A转换器变成阶梯状波形S(t),再由低通滤波器滤波后,得到合成的信号波形输出.其中P和W可根据需要选择使用.输出的合成信号波形取决于波形存储器ROM中存放的幅度码,因此采用DDS技术可以产生任意信号波形,并可实现信号频率和幅值可调.

由于DDS采用的是全数字频率合成结构,所以DDS技术跟许多传统信号合成方法相比具备许多独有的特点：

1）频率分辨率高

DDS的最小频率步进量就是它的最低输出频率,即

Δfo等于fomin等于

式中：N为相位累加器的字长.

可见,只要累加器有足够的字长,即可实现精密的频率分辨率,如可实现Hz甚至μHz数量级的频率步进量.2）能产生频率范围很宽的信号

当频率控制字K等于1时,DDS的最低输出频率为

fomin等于

当相位累加器的字长N足够大时,可认为DDS的最低合成频率接近于零.在实际设计的DDS系统中,由于输出滤波器的非理想性,一般输出信号的最大频率为参考时钟频率的40%,因此DDS实际输出频率范围是0～40%fc.

3）输出频率转换速度快

DDS是一个开环系统,当一个新的频率控制字输入时,它会迅速合成并输出相应频率.DDS的频率转换时间即频率控制字的传输时间,也就是一个参考时钟周期：

Tc等于

如fc等于10MHz,转换时间即为100ns,当参考时钟频率更高（只要满足Tc大于数字门电路的延迟时间即可）时,转换时间会更短.所以可近似认为DDS的频率转换是即时的.

4）频率转换时的相位连续性

改变DDS系统的输出频率即改变相位累加器每次相加的相位增量.当频率控制字从K1变为K2时,它是在已有的积累相位基础上再每次累加新的相位增量,从而保持了输出相位的连续性.

5）输出波形灵活

在DDS内部加上调相、调频、调幅等控制方式即可方便灵活地实现相应的调相、调频、调幅功能；改变ROM存储器中的数据即可实现任意波形的输出.

2信号发生器硬件设计

信号发生器的硬件结构如图2所示,其中单片机控制模块和DDS模块为系统核心,用于产生信号；键盘/显示模块用于实现频率控制字的输入与频率显示功能；滤波模块用于对信号进行后期处理.

图2信号发生器硬件结构

单片机采用AT89C51芯片.信号发生器工作时,操作者输入十进制数的频率值,单片机将十进制数转化后送入DDS芯片,该值即为频率控制字K.DDS芯片输出端输出相应的频率,频率值通过LED显示.

由于信号发生器中频率控制字的计算非常复杂,有大量的中间变量需要暂存,因此需要扩展外部RAM.本信号发生器采用的片外数据存储器是8K×8位的静态随机存储器芯片6264.为了实现键盘输入、数据显示输出及控制电路,本信号发生器采用8155扩展了I/O.信号发生器核心器件为DDS芯片AD9851.AD9851由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、6倍参考时钟倍乘器、10位模/数转换器、内部高速比较器组成.由于AD9851内置6×REFCLK倍频器,因此与AT89C51共用一个12MHz晶振即可满足设计需求.

AT89C51与AD9851的接口采用8位并行接口方式.单片机系统扩展I/O芯片8155的PC0～PC2引脚经光电耦合器分别连接到AD9851的复位引脚(RESET)、频率更改引脚(FQ-UD)、写脉冲(W-CLK)引脚,控制AD9851工作,PB0～PB7经光电耦合器分别连接到AD9851的D0～D7作为数据输入口传送入口指令、数据以及设置AD9851的工作方式.AD9851电路如图3所示.图3AD9851电路

由于单片机系统的数字噪声对合成信号有很强的干扰,为此单片机系统与DDS芯片间的连接采用全光电耦合方式,以隔离单片机系统的数字噪声对DDS模块的影响,这里采用了TLP521-4光电耦合芯片.

为消除共模噪声,本信号发生器设计了浮地高频放大电路.为了使DDS输出宽带理想的正弦信号,采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器进行滤波处理.

采用8279键盘/显示器控制器和4×4矩阵式键盘设计了键盘/显示器接口电路.由于显示部分只需简单的字符显示功能,因此采用了LED数码管,不仅降低了整个电路的成本,缩小了体积,减少了功耗,还提高了电路可靠性.

3信号发生器软件设计

采用汇编语言编写信号发生器软件程序,用于将键盘输入的数据进行转换,并将转换后的数值与相应的频率/相位控制字发送给AD9851,从而使AD9851产生相位、频率可控的正弦信号.其流程如图4所示.图4信号发生器软件流程

系统上电后,单片机首先进行初始化并自检.由键盘输入信号频率、相位值,单片机进行数值转换,产生相应的频率/相位控制字送给AD9851,频率值送给LED显示,输出的阶梯波经低通滤波器滤除高次谐波后即得到所需平滑的模拟信号.

4结论

本文设计了一种基于DDS技术的高性能、高频率的信号发生器.该信号发生器以AT89C51单片机为控制核心,通过AD9851产生相位、频率可控的正弦信号,并配置相应的键盘输入及显示等外部接口电路,采用汇编语言实现软件控制,结构简单,使用方便,可靠性高.