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3.7直接数字频率合成器3.7.1实验目的（1）通过实验进一步加深理解DDS的基本工作原理。（2）通过实验熟悉其编程原理。3.7.2实验原理及电路3.7.2.1DDS简介直接数字频率合成（DirectDigitalSynthesizer）简称DDS，是继直接频率合成和间接频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术。由于它具有相对带宽很宽、频率转换时间很短、频率分辨率很高、便于集成以及频率、相位和幅度均可控制等优点，被广泛应用于雷达、电子对抗等军事通信系统和移动通信中，特别是在短波调频通信中，信号在较宽的频带上不断变化，并且要求在很小的频率间隔内快速地变换频率和相位。本实验系统采用的AD7008是AD公司生产的CMOS型的DDS芯片，该芯片功能齐全，性价比高，容易开发，实现的成品性能较好。其相位累加器为32位，频率分辨率可达0.012Hz。频率转换速度和频率间隔、分辨率不相干，频率转换的速率仅受限于器件响应速度的快慢，通常为几十纳秒。由于实现了高度数字化、集成化，输出频率的稳定度达到晶振频率稳定度的数量级。适用于频率调制、相位调制、正交调幅调制和驱动倍频锁相环构成分辨率高、转换速度快的频率合成器等场合。DDS的实际输出最高频率约为时钟频率的l/3，输出频率越高，噪声功率越高。通常在时钟频率fc=50MHz，输出频率fo=5.1MHz的情况下，其最大谐波频率为15.3MHz，幅度低于51.8dB，一般可通过低通滤波器滤除。3.7.2.2DDS原理AD7008能实现全数字编程控制的频率合成，由以下几个部分组成：相位累加器、正弦函数表、D/A转换器、8个寄存器和相关控制逻辑，如图3.8所示。可编成DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24-32位。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正强波中0°-360°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动一个10位DAC以输出模拟量。图3.8AD7008芯片内部结构图相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后完成一个累加循环，以相位为地址的正弦查询表正好查询并输出完一个周期，从而使整个DDS系统输出一个周期正弦波。输出的正弦波周期To=Tc·2N/M，频率fout=Mfc/2N，Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。AD7008采用32位的相位累加器，将相位累加结果截断成14位（高端14位）输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节，调节关系为ISET=32（1.148/RSET），RSET的典型值为390Ω。3.7.2.3接口与控制单片机与AD7008的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式。采用并行方式时，数据或命令通过D0-D7数据总线在WR、CS的控制下，首先写入AD7008的并行寄存器中，并行寄存器为32位，所以分4次写入，高字节在前依次写入。采用串行方式时数据通过SDATA脚在时钟SCLK的控制下逐位移入32位串行移位寄存器（高位在前）。数据或命令写完以后，在LOAD和TCO-TC3的控制下，按表3.3所示将并行寄存器或串行寄存器中的数据转载到功能寄存器。表3.3AD7008外部控制逻辑TC3TC2TC1TC0LOAD源寄存器目的寄存器××××0N/AN/A00××1并行寄存器命令寄存器10001并行寄存器频率寄存器010011并行寄存器频率寄存器110101并行寄存器相位寄存器10111并行寄存器IQ寄存器11001串行寄存器频率寄存器011011串行寄存器频率寄存器111101串行寄存器相位寄存器11111串行寄存器IQ寄存器采用串行方式时，不能设置命令寄存器。所有功能寄存器的复位状态都为零。各功能寄存器的作用如下。（1）命令寄存器主要设置并口工作方式，只用32位中的低4位（CRO、CRLCR2、CR3）。其中，CR0=0时，使用8位并行口（DB0-DB7），高8位无效，32位数据分4次写入并行寄存器，高字节在前。CR0=1时，使用16位并行口（DB0-DBl5），32位的数据分2次写入并行寄存器，高字节在前。CR1=0时，正常工作，CR1=1时，进入睡眠状态。CR2=0时，关闭幅度调制功能；CR2=1时，允许AM或QAM调制。CR3=0时，同步使能，所有操作都在时钟同步下完成；CR3=1时，关闭同步使能，使芯片反应更快。（2）频率寄存器0、频率寄存器1都是32位寄存器，用于存放和输出频率相关的相位步长数据M，M=2N/fc*fout，当引脚FSELECT=0时，使用频率寄存器0；FSELECT=1时，使用频率寄存器1。（3）相位寄存器只用32位中的低12位（DB0-DB11），用于相位调制时存放相位数据。（4）IQ寄存器用于幅度调制，I寄存器使用32位数据中的DB0-DB9十位数据，Q寄存器使用DB10-DB19十位数据。要使AD7008输出各种信号，只需正确控制各功能寄存器。调制信号产生框图如图3.9所示。图3.9调制信号产生框图3.7.2.4AD7008在本实验系统中的使用本实验系统是采用MCS51系列单片机AT89C51来控制AD7008的，为了充分发挥芯片的高速性能，在单片机资源允许的情况下，本实验系统选择了并行控制方式。AD7008的数据线D0-D7与AT89C51的数据总线相连，FSELECT和LOAD分别与P3.4（14引脚）和P3.5（15引脚）相连，TC0、TC1、TC2、TC3分别与74LS373锁存输出的DSA、DSB、DSC、DSD相连，所有的时序关系均通过软件的控制实现。在本实验系统中，AD7008的装载控制TC0-TC3与数码显示合用一片74LS373芯片，因此，在实验系统产生调制信号时，关闭了数码管显示，因为AD7008进行调制时，需要不断地设置其功能寄存器，打开数码显示，将干扰正常调制。AD7008模块作为本实验系统的数字部分，提供以下6个功能。（1）正弦波产生，频段为1Hz~2MHz，分辨率为1Hz。“0”（2）FSK信号产生，f1=1800Hz，f0=900Hz，交替码调制。“1”（3）PSK信号产生，f=10kHz，交替码调制。“2”（4）AM调制，载频为500kHz。“3”（5）FM调制，载频为1MHz，频偏200kHz。“4”（6）MiDi音乐。“5”本模块加电后，系统进入初始状态，AD7008缺省输出1kHz正弦波信号，数码管显示“FUNC-1”，其中数字“1”在不断闪烁。在此状态下，按数字键0-5中的任一键，选择对应的功能，再按“确认”键后，进入所选择的功能。1-5功能无须设置参数，进入后，数码管显示关闭，AD7008直接输出所设定的信号。0号功能输出正弦信号，需设置频率参数，前6位数码显示频率数值，最后一位数码显示频率单位。进入该功能后，数值显示闪烁，等待输入频率数值，输入正确后，按“确认”键，数值显示停止闪烁，单位显示开始闪烁，等待选择单位，从键盘输入数字键“1、2、3”选择对应的单位“Hz、kHz、MHz”，选好后按“确认”键，AD7008按所设定的参数输出对应的正弦波信号。要退出某一功能，直接按“复位”键，使系统进入初始状态。3.7.3实验内容与步骤（1）将短接片置于JP4的l-2之间，接通“直接数字频率合成器”的直流电压。（2）按下复位键，系统进入初始状态，AD7008缺省输出1kHz正弦波信号，数码管显示“FUNC-1”，其中数字“1”在不断闪烁。用示波器观察P27点的波形，调节电位器W6，观察波形。（3）在此状态下，按数字键0号功能输出正弦信号，需设置频率参数，前6位数码显示频率数值，最后一位数码显示频率单位。进入该功能后，数值显示闪烁，等待输入频率数值，输入正确后，按“确认”键，数值显示停止闪烁，单位显示开始闪烁，等待选择单位，从键盘输入数字键“1、2、3”选择对应的单位“Hz、kHz、MHz”，选好后按“确认”键，AD7008按所设定的参数输出对应的正弦波信号。要退出某一功能，直接按“复位”键，使系统进入初始状态。（4）按数字键1-5中的任一键，选择对应的功能，选择对应的功能，再按“确认”键后，进入所选择的功能。1-5功能无须设置参数，进入后，数码管显示关闭，AD7008直接输出所设定的信号。用示波器观察P27点的波形，调节电位器W6，观察波形。3.7.4实验仪器设备（1）TDS-210型数字存储示波器（2）IST-B型智能信号测试仪（3）HFT-TG302型高频电子技术实验箱（4）万用表3.7.5预习要求（1）了解DDS的内部框图和基本工作原理。（2）熟悉实验电路，了解实验过程及测试方法。（3）自拟测试表格。3.7.6实验报告要求（1）根据实验过程，画出观测到的波形。（2）根据所设计的功能，试分析DDS的外部功能控制寄存器的内容。（3）试写出信号产生的方法有哪几种。3.7.7扩展实验与思考题根据DDS产生信号的基本方法，结合实验箱的硬件资源，自行设计一个控制程序，使DDS能够产生一个2kHz的信号。