基于AD9951的DDS信號發(fā)生器設(shè)計

周鋒 李楠 劉雪莉 李文溢 王如剛

摘 要：信號發(fā)生器廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制及教學(xué)試驗等領(lǐng)域，是電子技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)電子儀器之一。然而常見的信號發(fā)生器性能落后，無法滿足科研及教學(xué)需要。在現(xiàn)有信號發(fā)生器的基礎(chǔ)上，根據(jù)直接數(shù)字頻率合成（DDS）原理，利用STC89C52單片機作為控制器件，然后采用AD9951型DDS芯片進(jìn)行輸出，構(gòu)造一款性能優(yōu)良的信號發(fā)生器，其能輸出的波形有正弦波、方波、三角波，產(chǎn)生的相應(yīng)波形也具有可調(diào)幅度、可調(diào)頻率、可調(diào)相位的特點，輸出頻率可達(dá)0～160MHz，頻率分辨率可達(dá)1Hz。

關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器; AD9951; DDS; STC89C52; 控制時序

DOI：10. 11907/rjdk. 192200 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）007-0085-04

The Design of DDS Signal Generator Based on AD9951

ZHOU Feng1，LI Nan2，LIU Xue-li2，LI WEN-yi1，WANG Ru-gang1

（1. School of Information Engineering， Yancheng Institute of Technology;

2. You Pei College， Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China）

Abstract： Signal generators are extensively used in electronic circuits， automatic control and teaching experiments， and they are one of the basic electronic instruments in the field of electronic technology. However， the common signal generators are backward in performance and can not meet the needs of scientific research and teaching. Based on the existing signal generator， according to the principle of direct digital frequency synthesis （DDS）， the STC89C52 single-chip microcomputer is used as the control device， and then the AD9951 DDS chip is used to generate the output waveform， and the signal generator with a simple structure and excellent performance is designed. In addition to generating sine， square and triangle waves， the system can also output waveforms with adjustable amplitude， adjustable frequency and adjustable phase. Its output frequency can reach 0～160MHz， and the frequency resolution can reach 1Hz.

Key Words： signal generator;AD9951;DDS;STC89C52;control timing

0 引言

作為電子技術(shù)領(lǐng)域一種最基本的電子儀器，信號發(fā)生器在通信、電子測控、設(shè)計研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著目前各行業(yè)對信號源的性能要求越來越高[1]，現(xiàn)有信號發(fā)生器已無法滿足當(dāng)前電子技術(shù)領(lǐng)域的科研及教學(xué)需求。另外，傳統(tǒng)信號發(fā)生器大多采用諧振法，而利用頻率合成技術(shù)也可以獲得所需頻率，利用該技術(shù)制作的信號發(fā)生器，能夠獲得穩(wěn)定、準(zhǔn)確、連續(xù)可調(diào)的頻率輸出，這種信號發(fā)生器通常被稱為合成信號發(fā)生器?，F(xiàn)有大多數(shù)信號發(fā)生器采用直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術(shù)，其設(shè)計的信號源利用AD9850產(chǎn)生輸出波形，波形頻率范圍為1Hz～6MHz，頻率分辨率為1Hz，但是輸出波形只有正弦波和方波，而能輸出正弦波、方波和三角波的信號發(fā)生器卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到所需的頻率范圍和頻率分辨率。本設(shè)計采用AD9951輸出可調(diào)幅度、可調(diào)頻率、可調(diào)相位的正弦波、方波和三角波，并且頻率范圍達(dá)到0Hz～160MHz，頻率分辨率也達(dá)到1Hz。DDS技術(shù)作為第三代頻率合成技術(shù)，本身就擁有很多不可比擬的優(yōu)點，如頻率穩(wěn)定度與分辨率極高、轉(zhuǎn)換時間短、相位噪聲低、可編程、體積小、重量輕等[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 DDS工作原理及結(jié)構(gòu)

DDS采用采樣定量方法，并用查表法生成相應(yīng)波形，由累加器累加得出對應(yīng)參考時鐘控制下頻率控制字的相位數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)作為取樣地址進(jìn)行相位—幅度變換，輸出不同編碼，再由D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理得到階梯波，最后經(jīng)低通濾波器的平滑處理，便可輸出由頻率控制字決定的連續(xù)變化的波形。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，主要由時鐘、相位累加器、ROM表和D/A轉(zhuǎn)換器組成[3]。

1.2 DDS數(shù)學(xué)原理分析

用采樣頻率[fc]對一個頻率為[f]的余弦信號[S（t）]進(jìn)行采樣，其[S（t）]可設(shè)為：

便可得到一個離散序列：

其中[Tc=1fc]，對應(yīng)相位序列為：

又由信號頻率[f]與采樣頻率[fc]之間的關(guān)系可得出：

由公式（4）可知，利用頻率為[fc]的余弦信號采樣后，得到樣品之間的量化相位增量為一個恒定值[K][4]，便可得到一個序列：[Φ（n）=nK]? [n=0，1，2？]。接下來可構(gòu)造：

公式（5）是[S（t）]經(jīng)采樣后的離散序列，根據(jù)采樣定理，當(dāng)[ffc=KM<12]時，通過低通濾波器的平滑后可恢復(fù)[S（t）]，[S（t）=cos2πKfctM]，其信號頻率為：

公式（6）中，當(dāng)[M=2N]時，其方程可變換成：[f0=Kfc2N]，可見，當(dāng)[fc]一定時，相位累加器位數(shù)[N]決定分辨率，如果[fc=200MHz]，[N=32]，則分辨率可達(dá)到[fres=0.048Hz][5]。

1.3 參數(shù)計算

AD9951的控制字有40位，其中有5位是用于控制相位的，32位是頻率控制字。可得出相位控制精度，用二進(jìn)制表示為00001，要想實現(xiàn)精確的相位控制，只要設(shè)置不同的相位控制字即可。本設(shè)計中輸出的相移為90度，其相位控制字為01000[6]。

DDS輸出的合成信號頻率[f0]與其輸入的參考時鐘頻率[fc]成正比，波形存儲器ROM地址為[N]位，頻率控制字為[K]，則：

輸出信號頻率分辨率為：

由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為：

由此可推出頻率控制字公式為：

當(dāng)外部參考時鐘頻率為100MHz、輸出頻率為20MHz時，便可計算出DDS需要設(shè)定的控制頻率字為[K=20×232/100][7]。

1.4 AD9951概述

AD9951采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，以及高速、高性能的D/A轉(zhuǎn)換器，從而形成可編程、可便捷使用的頻率合成器。通過串行I/O口輸入控制字可快速進(jìn)行變頻，并且有著精確的頻率分辨率。其主要特性有：能產(chǎn)生160MHz的模擬波形;內(nèi)置400MSPS時鐘;內(nèi)含14位DAC;相位、幅度可編程;有32位頻率控制字與相位偏移字;可用串行I/O控制等[8]。

1.5 AD9951控制時序

AD9951控制命令寫入方式共有兩種，本設(shè)計采用串行寫入方式。對于AD9951，指令字節(jié)指定讀/寫操作和寄存器地址，串行端口控制器識別指令字節(jié)寄存器地址，并自動生成正確的寄存器地址[9]。另外，控制器控制全部字節(jié)，寄存器將其接通。AD9951通信共分為兩個階段：第一階段為指令周期，即將指令字節(jié)寫入AD9951，并且與前8個SCLK上升沿對應(yīng);第二階段為通信周期，指令字節(jié)為AD9951串行端口控制器提供相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸周期的信息。在第一階段，指令字節(jié)一方面定義了要進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸是讀還是寫，另一方面定義了正在訪問的寄存器地址[10]。每個通信周期的前8個SCLK上升沿將指令字節(jié)寫入AD9951，而剩下的SCLK將用于通信周期的第二階段。在第二階段，AD9951與系統(tǒng)控制器之間進(jìn)行實際的數(shù)據(jù)傳輸，期間傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)即是被訪問的寄存器函數(shù)[11]。在任何通信周期結(jié)束時，AD9951串行端口控制器都將接下來的8個SCLK上升沿作為下一個通信周期的指令字節(jié)，并且輸入到AD99951的所有數(shù)據(jù)都在SCLK上升沿進(jìn)行寄存[12]。圖2是相應(yīng)控制字串行輸入的控制時序圖。

1.6 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計基于DDS技術(shù)，并且采用52系列單片機控制DDS芯片AD9951，將矩陣鍵盤作為輸入，從而輸入AD9951的頻率控制字，最后輸出頻率可調(diào)的信號。此外，將顯示屏模塊作為輸出，顯示出輸入信號頻率，并驗證測試結(jié)果的正確性[13]。其系統(tǒng)框架如圖3所示。

整個系統(tǒng)利用模塊對其進(jìn)行劃分，并且用排線對各個模塊進(jìn)行連接。系統(tǒng)共分為4大模塊：輸入、輸出、造波和控制。將矩陣鍵盤作為輸入，LCD1602顯示屏作為輸出，兩個模塊有各自的接口，未相互連接。另外再用AD9951芯片與相應(yīng)外圍電路組成所需的造波電路。最后的控制模塊由52系列單片機構(gòu)成最小系統(tǒng)板，并對上述模塊進(jìn)行控制[14]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2 電路框架設(shè)計

2.3 LCD顯示屏

本設(shè)計使用1602帶有背光的液晶模塊，顯示容量為2行16個字，體積小、重量輕、功耗低，具有簡單且功能強大的指令集。可以顯示漢字的液晶稱為圖形液晶，每個點都可以被單獨控制[15]。

2.4 濾波緩沖放大電路

AD9951采用全數(shù)字結(jié)構(gòu)，因而其中不可避免地引入了雜散。雜散主要來源包括DAC非理想特性、相位舍位誤差和存儲器有限字長。因此，對其輸出的頻率進(jìn)行濾波處理，而濾波后的信號已經(jīng)有所衰減，必須用放大電路使衰減的信號得到放大，電路原理圖如圖6所示[16]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制模塊是整個系統(tǒng)軟件的核心。系統(tǒng)上電復(fù)位后，先進(jìn)行AD9951與顯示屏的初始化，然后對鍵盤進(jìn)行掃描，對掃描結(jié)果進(jìn)行分析并作出相應(yīng)操作：如果沒有鍵按下，則繼續(xù)進(jìn)行掃描;如果有鍵按下，查看按下的是數(shù)字鍵還是功能鍵。如果是功能鍵，則不執(zhí)行，并在顯示屏上顯示錯誤;如果是數(shù)字鍵，則將數(shù)字代入計算子程序中，然后通過單位鍵調(diào)用控制字，并對其進(jìn)行計算，按下頻率鍵發(fā)送控制字到子程序，輸出模塊顯示一開始輸入的頻率值。最后返回初始狀態(tài)，不斷循環(huán)進(jìn)行上述過程。具體流程如圖7所示[17]。

4 測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

4.1 測試數(shù)據(jù)

在設(shè)置好的頻率下，對應(yīng)示波器顯示頻率如表1-表3所示[18]。

4.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)結(jié)果與預(yù)估結(jié)果存在一些差別，兩者誤差并不大，通過分析得出以下原因：