基于DDS的信號源設(shè)計論文

郭泳麗 張晉濤 薛凱棟 史佳茹 侯翰林

摘?要：本文主要介紹了采用直接數(shù)字頻率合成DDS芯片實現(xiàn)正弦信號輸出，并完成調(diào)頻，調(diào)幅功能。它采用美國模擬器件公司（AD公司）的芯片AD9851，并用AT89C51單片機(jī)對其控制，首先從DDS芯片的輸出，經(jīng)低通濾波得到正弦信號，然后對該信號進(jìn)行調(diào)頻，調(diào)幅。其中調(diào)頻部分可以通過在軟件中修改DDS芯片的頻率控制字，相位控制字等來實現(xiàn)，而調(diào)幅部分需在DDS輸出正弦信號之后外加一調(diào)幅器實現(xiàn)。調(diào)幅部分將DDS輸出作為載波信號，RC振蕩器提供1KHz振蕩作為調(diào)幅信號，它利用了乘法器MC1496完成對正弦信號調(diào)制。該系統(tǒng)輸出穩(wěn)定度、精度極高，適用于當(dāng)代的尖端的通信系統(tǒng)和精密的高精度儀器。

關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成（DDS）;AD9851;調(diào)頻;調(diào)幅

1、設(shè)計任務(wù)及初步規(guī)劃設(shè)計

本課題是利用高性能DDS芯片設(shè)計頻率范圍在0～10 MHz，并能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)頻、調(diào)幅的信號源。要求其頻率穩(wěn)定度小于等于10-6

在對本課題總體規(guī)劃設(shè)計過程中，主要可分成以下幾塊：

（1）控制電路的設(shè)計，其主要功能是完成對DDS芯片的控制，包括頻率控制字，相位控制字等的數(shù)據(jù)輸入信號以及頻率更新和字輸入時鐘端等的控制信號。這些控制信號可以由PC機(jī)，單片機(jī)，可編程邏輯器件PLD，或者常規(guī)的數(shù)字邏輯電路來產(chǎn)生。PLD是由用戶在工作現(xiàn)場進(jìn)行編程的邏輯器件，在產(chǎn)品研制的未定型階段，這種方式比較靈活，常規(guī)的數(shù)字邏輯電路最簡單，價格最便宜，最容易上手，但不夠靈活。而單片機(jī)具有體積小，可控性高，控制功能強(qiáng)，使用方便，性價比較高等諸多優(yōu)點，我準(zhǔn)備采用常用的控制電路的芯片AT8951單片機(jī)來完成控制部分的功能。

（2）參考時鐘電路設(shè)計。參考頻率源可選用普通晶體振蕩器，溫補(bǔ)晶體振蕩器或恒溫控制晶體震蕩器等。其中恒溫控制晶體震蕩器的性能指標(biāo)最好，但體積最大，價格也最貴，而普通晶體振蕩器雖價格便宜，但其頻率穩(wěn)定度通常較低，所以在工程實際中，一般采用溫補(bǔ)晶體振蕩器作為DDS的參考時鐘輸入比較合適。

（3）系統(tǒng)電源設(shè)計。系統(tǒng)電源可由直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供，為了安全起見，在電源的后面接上穩(wěn)壓塊，由穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓到電路所需的電壓值。直流電源的紋波越小，對提高DDS的性能就越有好處。

（4）正弦信號發(fā)生電路。本課題首先要用DDS芯片產(chǎn)生一頻率穩(wěn)定且可調(diào)的正弦信號，因此正弦信號性能的好壞直接決定了該設(shè)計是否符合技術(shù)指標(biāo)要求，還有進(jìn)一步的調(diào)幅性能的好壞。鑒于2中對DDS芯片AD9851的介紹，用該芯片便可在理論上具有可行性。

2、方案提出及系統(tǒng)整體設(shè)計

（1）.常見信號源制作方法

方案 一：采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038，可產(chǎn)生正弦波，方波，三角波，通過調(diào)整外部元件可改變輸出頻率，但采用模擬器件由于分散性太大，即使使用單片函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)也揶揄外部元件有關(guān)，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差，精度不高，抗干擾能力較低成本較高。

方案 二：采用鎖相式頻率合成方案，鎖相式頻率合成是將一個高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加減乘除的運(yùn)算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的 大量離散頻率的技術(shù)，它在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確，又要頻率在較大范圍內(nèi)可變的矛盾，但頻率受VCO可變頻率范圍響，高低頻率比不可能作得很高。

3、硬件電路設(shè)計

這里我們采用的是AD公司的DDS系列芯片之一的AD9851，其優(yōu)異的功能，尤其是其先進(jìn)的CMOS工藝，使其得到廣泛的應(yīng)用。下面就介紹AD9851的原理及性能。

AD9851內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD9851芯片是AD公司生產(chǎn)的最高時鐘頻率為180MHz，采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)的高集成度直接數(shù)字式頻率合成器件。它由一個高速DDS，一個高性能DAC以及比較器等構(gòu)成一個完全數(shù)字控制可編程頻率合成器，其時鐘輸入端內(nèi)置一個6倍頻器，并且具有始終產(chǎn)生共嫩能夠。

AD9851芯片的主要性能特點有：① 語序最高輸入時鐘180MHz，同時可選擇是否啟用內(nèi)含的6倍頻乘法器;② 帶有高性能的十位數(shù)模轉(zhuǎn)換器;③ 內(nèi)含一個高速比較器;④ 具有簡化的控制接口，允許串/并行異步輸入控制字;⑤ 采用32位頻率控制字;⑥ 內(nèi)部使用5位相位調(diào)制字;⑦ 允許工作電源范圍：+2.7v+5.25v;⑧ 可以工作在掉電方式（低功耗）：4mW+2.7v;⑨ 其自由寄生動態(tài)范圍（SFDR）>43dB@70MHz輸出;⑩ 采用極小的28腳貼片式封裝。

AD9851可用作一個高精度的可編程的數(shù)字頻率合成器和時鐘生成器，當(dāng)參考時鐘源的頻率精度很高時，AD9851輸出的數(shù)字化的模擬正弦波的頻率和相位都很穩(wěn)定，生成的正弦波經(jīng)濾波后可直接用作頻率源，也可通過內(nèi)部的比較器轉(zhuǎn)換成方波作時鐘源。

由于AD9851的核心具有32bits的頻率控制字，當(dāng)系統(tǒng)輸入時鐘頻率為180MHz時，其輸出頻率分辨率接近0.024Hz。AD9851還提供5bits的可編程相位控制字，其輸出相位可以以11.25的增益改變?？删幊虇⒂肁D9851內(nèi)部集成的6倍頻參考時鐘乘法器這樣輸入的時鐘頻率不需要很高，且該乘法器具有很小的SFDR和相位噪聲。

4、軟件設(shè)計

單片機(jī)完成對AD9851的控制和人機(jī)交互。40位數(shù)據(jù)分五次發(fā)送，系統(tǒng)以鍵盤為控制信息輸入，單片機(jī)獲取控制信號后處理，區(qū)別不同的狀態(tài)，按照程序流程圖，對系統(tǒng)進(jìn)行控制，以達(dá)到題目要求。修改AD9851的頻率控制字有并行和串行兩種方式，由于系統(tǒng)由軟件調(diào)頻，要求頻率變化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9851，提高速度，實現(xiàn)較好的調(diào)頻效果。

5、硬件電路調(diào)試

5.1.調(diào)試與測試所用儀器

1.微機(jī)一臺以及Protel軟件;

2.信號源;

3.示波器;

4.萬用表;

5.直流穩(wěn)壓電源;

6.失真度儀;

5.2 軟件調(diào)試

本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用C編寫，調(diào)試也是分模塊進(jìn)行，各個模塊調(diào)試通過函數(shù)里調(diào)這樣寫結(jié)構(gòu)明了，出錯時容易查錯。

5.3 總調(diào)試

按程序定義的各個口分別把線接好，然后把程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)控制各個模塊。依據(jù)設(shè)計要求，分別對輸出波形、輸出電壓峰峰值、輸出頻率和功率放大器輸出測試。

6、結(jié)論

系統(tǒng)測試指標(biāo)均達(dá)到要求，部分指標(biāo)超過題目要求：

正弦波輸出頻率：0～12MHz;

輸出信號頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-6;

自行產(chǎn)生1kHz正弦調(diào)制信號;產(chǎn)生FM信號在100kHz～10MHz內(nèi)最大頻偏可5kHz/10kHz/20kHz程控;

存在誤差為人為誤差、硬件誤差、測量儀器誤差、雜散引入誤差。

減小誤差可從改變電路，提高儀器精度，減弱外界干擾和多次測量取平均值等方面改善。

使用說明

通過本次畢業(yè)設(shè)計，我學(xué)到了許多有用的知識。例如通信領(lǐng)域的調(diào)頻，調(diào)幅等多種調(diào)制方法;基本的鍵盤與顯示模塊設(shè)計;學(xué)會使用了一種高集成芯片AD9851，尤其掌握了其原理還有工作特性，它不僅可以產(chǎn)生正弦信號，還可以其通過添加輔助電路使其輸出方波信號，三角波信號等常用信號源波形。

參考文獻(xiàn)

[1]?李東生.Protel 99SE 電路設(shè)計技術(shù)入門與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2002

[2]?雷曉平.單片計算機(jī)及其運(yùn)用[M].電子科技大學(xué)出版社，1997