摘? 要: 介紹了一種DDS專用芯片AD9835,并利用該芯片設(shè)計(jì)了一種高精度頻率信號發(fā)生器,討論了DDS芯片的基本原理、應(yīng)用及其與計(jì)算機(jī)、單片機(jī)的接口。并對實(shí)際結(jié)果進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞: 頻率合成DDS 信號源? 調(diào)制
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高精度測量往往需采用高精度、高穩(wěn)定性、高分辨率的頻率信號源。采用多個鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器,電路復(fù)雜、價格昂貴,且信號建立時間長、動態(tài)特性較差。近年來發(fā)展起來的直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)采用高速數(shù)字電路和高速D/A轉(zhuǎn)換技術(shù),具有以往頻率合成器難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn),如頻率轉(zhuǎn)換時間短(<20ns)、頻率分辨率高(0.01Hz)、頻率穩(wěn)定度高(10-7至10-8)、輸出信號頻率和相位可快速程控切換等,因此可以很容易地對信號實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式調(diào)制。而且,由于DDS是數(shù)字化高密度集成電路產(chǎn)品,芯片體積小、功耗低,因此可以用DDS構(gòu)成高性能頻率合成信號源而取代傳統(tǒng)頻率信號源產(chǎn)品。
我們采用Analog公司的AD9835 DDS專用芯片設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)及計(jì)算機(jī)控制的合成信號源,主要技術(shù)指標(biāo)如下:
頻率范圍:0.1Hz～10MHz
頻率分辨率:0.1Hz
頻率穩(wěn)定度:1×10-7
輸出幅度:0～±10V可調(diào)
輸出波形:正弦波、方波(TTL電平)、PSK、FSK、掃頻
本信號源有可以任意切換的兩種控制方法:一種是用PC機(jī)上的并口傳遞控制指令及參數(shù),為此我們用VB編寫了Windows 9x操作系統(tǒng)下的控制界面,通過該程序可以非常容易地設(shè)定各種控制參數(shù);另一種是用單片機(jī)控制,通過面板按鈕設(shè)定參數(shù)和選擇功能菜單,便于野外脫機(jī)使用。
1 DDS工作原理
1.1 DDS技術(shù)
AD9835中使用的DDS技術(shù)是從連續(xù)信號的相位Φ出發(fā),將一個余弦信號取樣、量化、編碼,形成一個余弦函數(shù)表儲存在ROM中。合成時改變相位增量,由于相位增量不同,一個周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)也不同,這樣產(chǎn)生的正弦信號頻率也就不同,從而達(dá)到頻率合成的效果。
在這里,余弦波信號本身是非線性的,而其相位是線性的(如圖1所示)。因此,每隔一段時間Δt(時鐘周期),有對應(yīng)的相位變化ΔP,即
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? DDS芯片AD9835原理框圖如圖2所示。其中,相位累加器為32位,取其高12位作為讀取余弦波形存儲器的地址。每一次,時鐘使相位累加器的輸出也即余弦ROM尋址地址遞增頻率設(shè)定數(shù)據(jù)K,對應(yīng)的波形相位變化為:
因此,改變相位累加器設(shè)定值K,就可以改變相位值ΔP,從而改變合成信號頻率f。經(jīng)簡化,合成信號頻率由下式?jīng)Q定:
式中,fmc=50MHz,用高穩(wěn)定度晶體振蕩器獲得。K值在1
1.2 AD9835芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)
AD9835內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它有一個32位相位累加器,兩個32位頻率寄存器F0和F1(用于設(shè)定K值),四個12位相位寄存器P0、P1、P2、P3。程控切換F0、F1時,可實(shí)現(xiàn)FSK和掃頻功能;程控切換P0、P1、P2、P3時,可實(shí)現(xiàn)相位PSK調(diào)制。余弦函數(shù)表儲存在ROM中。
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32位相位累加器的輸出值截取高12位后與12位相位寄存器Pi值相加,構(gòu)成12位的相位地址,去尋址余弦ROM表。尋址得到的幅度值經(jīng)10位的高速D/A轉(zhuǎn)換后成為合成余弦信號。輸出信號S對所有DAC輸出噪聲N之比SNR主要與D/A的位數(shù)有關(guān),即與數(shù)字量化噪聲有關(guān)。理論分析可知10位D/A的SNR可達(dá)60.2dB,AD公司資料給出的AD9835實(shí)際SNR優(yōu)于50dB。輸出信號總諧波分量畸變量與兩主號頻率之比m=fmc/f有關(guān),m值越大,諧波畸變越小;m值較小時,諧波畸變較大。為消除m較小的諧波畸變,輸出端采用LC高階低通濾波器濾除高次諧波。本例中使用的是5階Butterworth低通濾波器,可以將50MHz以上的高次諧波降低至-60dB,完全滿足高精度信號源的要求。
圖3中引腳FSELECT、PSEL0、PSEL1是外加調(diào)制信號,可用于對DDS進(jìn)行直接位控調(diào)制,實(shí)現(xiàn)數(shù)字二值調(diào)頻(FSK)和數(shù)字四值調(diào)相(PSK)。引腳FSYNC、SCLK、SDATA用來對DDS進(jìn)行程控工作模式設(shè)定。數(shù)據(jù)傳輸方式為同步串行方式。圖3中,AD9835可以設(shè)定為SLEEP、RESET工作方式,在SLEEP工作方式下,功耗僅為1.75mW。
2 DDS信號源設(shè)計(jì)
2.1 信號源框圖
圖4為系統(tǒng)框圖。開關(guān)SW切向上方時,信號源由單片機(jī)控制,工作模式、頻率和相位參數(shù)由鍵盤設(shè)定,采用8位LED數(shù)碼管顯示,頻率分辨率為0.1Hz,可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻、掃頻、PSK、FSK四種工作模式。開關(guān)SW切向下端時,則由PC機(jī)通過計(jì)算機(jī)并口進(jìn)行程控,工作模式與單片機(jī)控制時相同。為保證0～10MHz的信號輸出頻帶,濾波器采用無源LC 5階濾波器。AD9835的D/A輸出僅1.2V左右,信號經(jīng)兩級寬帶高速運(yùn)放放大近20倍后輸出。要滿足大信號10V幅度輸出時無失真,末級放大器的擺率應(yīng)滿足S≥ωVm。在10MHz時,經(jīng)計(jì)算,S≥600V/μs。
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2.2 控制程序
無論是在PC機(jī)上用VB編程,還是在單片機(jī)上用匯編語言編程,主程序框圖基本一致,如圖5所示。在圖5中,“初始化”是指對AD9835寫入控制字,包括設(shè)置SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC等位,還要選擇在以后的調(diào)制中使用管腳還是串行控制位來控制AD9835。一旦設(shè)定后,AD9835將保持設(shè)定狀態(tài)不變,直到重新進(jìn)行設(shè)置。
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由于AD9835控制參數(shù)要求以同步串行方式輸入,因此用PC機(jī)控制的時候,采用PC機(jī)并口輸出的辦法。用并口數(shù)據(jù)位線分別模擬幀同步FSYNC、同步時鐘SCLK和串行數(shù)據(jù)SDATA,按參數(shù)要求將其串行化后裝配成并行數(shù)據(jù)從并行口輸出。另外,由于VB本身不具有口讀寫功能,因此需要用其他語言編寫口讀寫功能函數(shù)后用動態(tài)鏈接庫。DLL的形式調(diào)用,以實(shí)現(xiàn)口輸出。本程序也可以和虛擬儀器組合使用,構(gòu)成虛擬儀器界面的數(shù)字頻率信號發(fā)生器。
2.3 實(shí)測結(jié)果
本儀器設(shè)計(jì)完成后已投入使用,各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從測量情況來看,DDS頻率合成器的頻率純度和穩(wěn)定度相當(dāng)高。圖6為合成器輸出頻率2MHz時的實(shí)測頻譜圖,圖中縱向每分度為20dB,可見一次倍頻幅度衰減約為-45dB。
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圖7為PSK相位跳變時的波形實(shí)測圖,相位跳變值為90度,從波形可以看出,相位跳變的瞬時性和準(zhǔn)確度非常好。可以精確控制相位是DDS的一個突出優(yōu)點(diǎn),也是其它頻率合成手段難以達(dá)到的。
圖8為合成器輸出頻率從頻率寄存器F0跳變到F1時的瞬態(tài)波形,波形銜接得非常好,中間沒有控制失調(diào)的過渡帶出現(xiàn),這也是DDS的突出特點(diǎn)。圖9為FSK調(diào)制波形。
DDS合成信號源具有高穩(wěn)定性、高精度、高分辨率、高速建立信號等突出優(yōu)點(diǎn),是信號源發(fā)展的方向,在電子對抗、通訊與測量等許多方面都有重大的應(yīng)用價值。用DDS與PLD等芯片組合集成的專用ASIC信號源芯片、微型程控式任意波形信號源專用芯片也即將問世,這將是信號源技術(shù)的一大革命。利用砷化鎵及其它高速材料和技術(shù),可以使DDS頻率進(jìn)一步向高端延伸,從而使其在軟件無線電方面具有重要的意義。
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參考文獻(xiàn)
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3 CMOS Complete DDS AD9835.Analog Devices Data Sheet,1998