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基于DDS芯片AD9951的精密信号发生器设计摘要直接数字频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。而AD9951是美国模拟器件公司（ADI）最新推出的高集成度DDS芯片。本设计采用该芯片，以AT89S52单片机为控制，采用AT24C02来存储重要的系统数据，由1602点阵式字符型液晶显示模块作为显示器，并加上一个小键盘构成了精密信号发生器。要求其输出频率范围为0～160MHz、最小步进为10Hz或者1Hz、输出信号幅度大于0.3Vp-p、杂散小、有掉电数据保持功能。文中详细介绍了DDS的工作原理以及该信号发生器的软、硬件设计方案，并给出了具体的程序设计。指标关键词：直接数字频率合成（DDS）、AD9951、AT89S52、信号发生器、频率控制字直接数字频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法，广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。而AD9951是美国模拟器件公司（ADI）最新推出的高品质、高集成度DDS芯片。本设计采用该DDS芯片作为核心元件，以AT89S52单片机为主控器件、并辅以AT24C02存储重要的系统数据、1602点阵式字符型液晶显示模块作为显示器，构成了一种精密的DDS信号发生器。文中详细介绍了DDS的工作原理以及该精密信号发生器的软、硬件设计方法，并给出了具体的程序设计方案。设计出的信号发生器，输出频率范围为0～160MHz、最小步进为10Hz或者1Hz、输出信号幅度大于0.3Vp-p、杂散小。关键词：直接数字频率合成（DDS）、AD9951、AT89S52、信号发生器、频率控制字该芯片能以早期DDS1/10的功耗提供速度高达400MHz的内部时钟，而合成频率高达160MHz。掌握直接数字频率合成（DDS）芯片AD9951/9952的工作原理和管脚功能，设计一个由AT89S52单片机、AD9951/9952芯片、1602点阵式字符型液晶显示模块和小键盘构成的精密信号发生器。要求电路简洁、人机界面友好且有一定容错性、输出稳定、抗干扰能力强、有掉电数据保持功能、输出频率范围为0.5MHz～160MHz连续输出、最小步进为10Hz或者1Hz、输出信号幅度大于0.3Vp-p、杂散小。AnexactsignalgeneratorbaseonoftheMicroControllerUnitandtheDDSchip-AD9951AbstractAD9951isthenewestproductofADICorporation.Thedeviceisa400MSPSdirectdigitalsynthesizer(DDS)productthatcangeneratingaresultantfrequencyofupto160MHZ,whiledissipating200mw.TheexactsignalgeneratorintroducestheAD9951,togetherwiththeMicroControllerUnitofAT89S52ascontroller.Inaddition,thisdesignadoptsthe1602ofLCDasdisplayscreenandakeyboard.Inthistext,Ihaveexplainedandrecommendedthedesignschemeofsoftwareandhardwareoftheproductindetail,providingthespecificprogram.Keyword:DDSAD9951Control-registerFrequencytuningwordTransmissibleformatofdata1、前言信号源作为一种基本电子设备,无论是在教学、还是在科学技术研究中，都有着广泛的使用。随着科学技术的发展和测量技术的进步，对信号源的要求越来越高，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的数字技术领域科研和教学的需要。这就要求设计信号发生器要解决怎样获得稳定，准确，连续可调的频率输出的问题，解决这一问题的一个较好的方法就是使用频率合成技术。频率合成一般有三种方法：直接模拟合成法、锁相环合成法和直接数字合成法。直接模拟合成法设备复杂、体积大、功耗大，且步进不易控制，目前已基本不被采用；锁相环合成法存在高分辨率和快转换速度之间的矛盾，一般只能用于大步进频率合成技术中；直接数字频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS）是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方法。该技术是一种新兴的频率合成技术，他具有频率分辨率极高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点。随着微电子技术的迅速发展，直接数字频率合成器得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。目前生产单片DDS集成芯片的厂家很多，但市场上主要是以美国AnalogDevices公司和Motorola公司的产品为主。特别是AnalogDevices公司生产的AD98XX系列和AD99XX系列产品。在本设计中为了获得低成本，高性能的信号发生器，采用了直接数字频率合成技术，用一片AnalogDevices公司的单DDS集成芯片和微控制器组合进行设计，达到了预期的设计效果。2、DDS的结构及原理2.1、DDS的结构及工作原理直接数字频率合成是采用数字化技术，通过控制相位的变化速度，直接产生各种不同频率信号的一种频率合成的方法。DDS的结构原理图如图１所示，它由相位累加器、正弦ＲＯＭ表、Ｄ／Ａ转换器等组成。参考时钟ｆr由一个稳定的晶体振荡器产生，用它来同步整个合成器的各个组成部分。相位累加器由Ｎ位加法器与Ｎ位相位寄存器级联构成，类似于一个简单的加法器。每来一个时钟脉冲，加法器就将频率控制字Ｋ与相位寄存器输出的累加相位数据相加，然后把相加后的结果送至相位累加器的数据输入端。相位寄存器就将加法器在上一个时钟作用后产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续将相位数据与频率控制字相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加。当相位累加器累加满量时，就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是合成信号的一个周期，累加器的溢出频率也就是DDS的合成信号的频率。DDS的工作原理：DDS的基本原理是利用采样定量，通过查表法产生波形，在参考时钟ｆr的控制下，频率控制字Ｋ由累加器累加以得到相应的相位数据，把此数据作为取样地址，来寻址正弦ＲＯＭ表进行相位－幅度变换，输出不同的幅度编码；再经过Ｄ／Ａ转换器得到相应的阶梯波；最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑处理，即可得到由频率控制字决定的连续变化的输出正弦波。DDS的输出频率ｆ0、参考时钟频率ｆr、相位累加器长度Ｎ以及频率控制字Ｋ之间的关系为：DDS的频率分辨率为：在理想情况下，DDS等效电路如下图所示，图中假设DDS相位累加器至波形存储器间无截断(累加器输出与波形存储器地址宽度相等)、波形存储器容量无限、DAC和LPF都是完全理想的。这样DDS就等效为一个完全理想的采样——保持电路。其时域输出为：对其做傅氏变换得到频域响应：由上式看出，理想DDS输出频谱中只有采样时钟及输入频率的混合产物，其主要杂波分量遵循Nyquist抽样定理，杂波分量出现在参考频率与输出频率的组合处，即：Nfc±fo(N=0，±1，±2，⋯)处。在fo处的信号最强，距输出频率最近的杂波分量为fe—fo(见图3所示)，而无新增频率分量，在DAC之后只要接入一高性能低通滤波器，就可得到期望的输出频率。fo2.2、新一代DDS芯片的性能新一代的直接数字频率合成器采用全数字的方式实现频率合成，与传统的频率合成技术相比，具有以下特点：(1)频率转换快。直接数字频率合成是一个开环系统，无任何反馈环节，其频率转换时间主要由频率控制字状态改变所需的时间及各电路的延时时间所决定，转换时间很短。(2)频率分辨率高、频点数多。DDS输出频率的分辨率和频点数随相位累加器的位数的增长而呈指数增长，分辨率高达μＨｚ。(3)相位连续。DDS在改变频率时只需改变频率控制字（即累加器累加步长），而不需改变原有的累加值，故改变频率时相位是连续的。(4)相位噪声小。DDS的相位噪声主要取决于参考源的相位噪声。(5)控制容易、稳定可靠、性价比极高。目前生产新一代单片DDS集成芯片技术比较成熟的主要是美国模拟器件公司(AnalogDevices)和摩托罗拉公司(Motorola)两大公司的产品。在国内使用得比较多的是美国模拟器件公司的产品，因为该公司的产品品种齐全，更新快，且向下兼容，设计人员可以按不同的要求选用不同的型号。本设计选用的是美国模拟器件公司的单片DDS集成器件AD9851。表1-1列出新一代DDS系列AD99X性能参数：表1-1美国模拟器件公司(ADI)最新发布的直接数字合成器AD995x系列产品，采用已申请专利的算法和0.18微米工艺，比以往版本的产品功耗降低90%。这些新系列芯片能以早期DDS1/10的功耗提供速度高达400MHz的内部时钟。AD995x系列为：AD9951、AD9952、AD9953、AD9954。这个系列的产品均是以1.8V单电源供电。这些新型的DDS组件为业界首款产生400MSPS时钟产品，在功率消耗低于200mW下，合成频率还高达160MHz。该DDS系列包括一个集成的14位数模转换器（DAC）、片内125位随机存储器（RAM）、相位与幅度控制以及多芯片同步控制的功能。AD9951板带14位D/A;AD9952包含一个高速比较器；AD9953具有用于非线性相位/频率扫描的RAM；AD9954则含一个高速比较器、RAM和自动线性频率扫描功能。AD995X系列的典型应用包括卫星通信、宽带网、雷达、测试和测量和仪器仪表。3.AD9951芯片介绍3.1引脚与寄存器介绍采用48脚TQFP/EP封装，其引脚定义和设置见硬件设计部分，它有6个寄存器,分别是控制寄存器CFR1、控制寄存器CFR2、幅度大小控制寄存器ASF、幅度斜率控制寄存器ARR、频率控制寄存器FTW、相位控制寄存器POW，其内部寄存器每一位设置见附录，AD9951芯片如图3-1。图3-13.2.AD9951芯片的性能特性：AD9951是采用先进的DDS技术开发的高集成度DDS器件。它内置高速、高性能D/A转换器，可用为数字编程控制的频率合成器，能产生160MHz的模拟正弦波。通过AD9951的串行I/O口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨率。其主要特性如下：●内置400MSPS时钟；●内含14位DAC；●相位、幅度可编程；●有32位频率控制字、相位偏移字●可用串行I/O控制；●采用1.8V电源供电；●可4～20倍倍频；●支持大多数数字输入中的5V输入电平；●可实现多片同步。AD9951芯片的内部框图如图3-2所示。图3-2AD9951内部结构图4.系统硬件设计：硬件总体框图如图4-1所示：图4-1整个系统上电后,单片机启动DDS、对LCD进行初始化，预置完毕后向单片机发出一应答.接着单片机读取存储芯片中作为系统缓存器的数据，送到LCD显示，并把LCD显示的内容转换为DDS的频率数据，送到已经启动DDS芯片中，输出相应的频率。然后进入键盘扫描程序，判断键盘按下，若有效键按下则单片机执行相应的功能模块后，再返回键盘扫描程序处于等候状态。4.1单片机控制电路4.1.1AT89S52单片机介绍本系统的微处理控制器选用的是AT89S52，它是美国Atmel公司生产新一代的51系列芯片。Atmel公司对89S51/2在工艺上进行了改进，采用0.35新工艺，