基于AD9851芯片的DDS脉冲发生器

一种基于AD9851芯片的DDS脉冲发生器盛刚保，滕功清（北京机械工业学院理学院北京100085）摘要：以DDS芯片AD9851为核心设计一种频率、相位、幅度可调的脉冲发生器，其频率范围为1KHz—70MHz,频率步进为1Hz，相位精度为11.25o。采用7阶椭圆低通滤波器，使信号具有快速衰减的幅频特性。样机具有功耗低，体积小，使用方便等特点。关键词：DDS；脉冲发生器；椭圆低通滤波器ApulsegeneratorofDDSbasedonAD9851ShengGangbao,TengGongqing(SchoolofScience,Beijinginstituteofmachinery,Beijing100085,China)Abstract:InthispaperdesignapulsegeneratorbasedonAD9851DDS(directdigitalfrequencysynthesis),thefrequency,phaseandamplitudecanbeadjustedconveniently.Thefrequencyrangeisfrom1KHzto70MHzandthestepis1Hzandtheprecisionofphaseis11.25o.Theuseof7th-orderlow-passellipticfiltermakesthesignaltherapid-decaymagnitude-frequencycharacteristics.Thedesignhaslowpower，smallsizeandeasyuse.Keywords:DDS；pulsegenerator；Low-passellipticfilter1.引言DDS(DirectDigitalSynthesize)即直接数字合成技术,利用该技术可以用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的信号源。在应用中可以满足信号源高精度、高分辨率等要求。采用该技术生产的产品已广泛应用于信号发生器、医学成像、无线、雷达、卫星通信以及各种电子测量等领域中。设计中采用AD公司生产的DDS芯片AD9851,以及TI公司生产的超低功耗微处理器MSP430F169为核心构建DDS系统，具有转换速度快,分辨率高，频率相位在线可调，功耗低等优点，采用功耗处理器MSP430F169和椭圆低通滤波器是设计的两大特点。2.DDS基本原理及AD9851的功能特点2.1DDS基本原理DDS的基本原理是使用高稳定的参考源时钟来量化抽样时间间隔，利用采样定理，直接对要产生的信号进行抽样、量化和信号映射，然后经过D/A转换和低通滤波器，输出需要的模拟信号，其基本的电路原理可用图1来表示。相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器fofsk图1DDS原理框图DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fs，相位累加器的输出就增加一个步长K的相位增加量，相位增加量的大小由频率控制字确定。相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0～360度范围的一个相位点，用相位累加器输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值(二进制编码)经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。DDS在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。2.2AD9851的功能特点设计中应用的是AD公司生产的AD9851芯片，原理框图如图2所示。高速DDS6倍频乘法器10BITADC频率/相位控制寄存器32bits控制字相位控制字参考时钟主复位频率刷新寄存器复位数据输入寄存器字输入时钟模拟信号输出串行输入并行输入+VsGND图2AD9851内部结构AD9851的性能特点为：（1）提供可选择的片内6倍频乘法器,允许最高工作时钟180MHZ；（2）10位D/A转换器；（3）内含一个高速比较器；（4）采用32位频率控制字；（5）内部使用5位相位调制字；（6）工作电压2.7-5V。如果相位累加器的位数为N，相位控制字的值为FN，频率控制字的位数为M，频率控制字的值为FM，系统外部参考时钟频率为30MHz,6倍参考时钟倍乘器使能，那么经过内部6倍参考时钟倍乘器后，可得到AD9851内部工作时钟Fc为180MHz,此时最终合成信号的频率可由公式(1)来决定，合成信号的相位由公式(2)来决定。2FFMCFN(1)22NMF(2)3.硬件设计与软件实现3.1硬件设计系统以TI公司生产的低功耗单片机MSP430F169[1]为控制核心进行数据处理及频率控制字的发送，图3是系统硬件的整体连接框图。MSP430F169单片机具有16位RISC结构，CPU中的16个寄存器和常数产生器使芯片能达到高的代码效率。单片机在1.8V-3.6V电压、1MHz的时钟频率下运行，耗电电流在0.1uA—400uA之间。单片机是基于FLASH型的，可以实现写入和擦除功能，另外提供了JTAG接口，对于在线调试非常方便。图3中，MSP430F169的引脚P4.0-P4.7与AD9851的D0-D7相连，作为AD9851的并行数据输入端口，P6.3,P6.4的输出数据对AD9851的W_CLK、FQ_UD进行控制。AD9851的外部时钟选用30M有源晶振，能保证DDS输出信号的频率稳定性和精度。P4.0-P4.7D0-D7P6.3W_CLKP6.4FQ_UD30M有源晶振IOUT椭圆滤波正弦波信号VINPVOUTPAD8044放大电路输出信号RESET复位电路MSP430F169AD9851图3系统硬件结构图因为AD9851的输出是一个抽样信号，所以它的输出频率服从乃奎斯特抽样定理。特别地，它的输出频率普包含基本频率，重叠频率。重叠频率是在系统时钟的整数倍频率所选输出频率时产生的。一般可以使用的带宽范围是0-0.5系统时钟频率。在单片机P6.3,P6.4控制下，将单片机FLASH里面存储的40位控制字写入到AD9851的相位和频率寄存器中。此时AD9851输出带有更高频率的正弦信号，经过外部椭圆滤波器后，由VINP进入AD9851内部高速比较器，最后由VOUTP输出得到稳定性好的方波。设计中，AD9851采用180M系统时钟，产生一个输出频率为8M的方波，故理论上设计的滤波器截止频率低于172M都可，此处选择截止频率为50M。滤波器应用要求有陡峭的频率响应特性，切比雪夫类滤波器满足要求，但它在时域部分的回响和脉冲尖刺特性差。巴特沃斯滤波器缺点是过渡带不够陡峭；椭圆函数滤波器通带内有起伏，阻带内也有起伏，过渡带陡峭。理想的滤波器应当有平滑的时域特性又兼有尖锐陡峭的频域特性的响应曲线，这两者互相矛盾，因此只能以系统最需要的特性来决定。在本文DDS系统中，对滤波器的频域特性要求之高超过了时域特性，比较起来椭圆函数滤波器性能更好，所以设计采用椭圆函数滤波器。所设计的椭圆函数滤波器的性能指标如下：3db时截止频率fc为50M，输入电阻和负载R1和R2都为100，最低阻带频率fs为65M，此处的最小阻带衰减Amin为60db，通带内纹波小于0.2db。由性能指标可算出低通滤波器的陡度系数As=65M/50M=1.3，由纹波系数小于0.2，可得到反射损耗为13.9dB,则Amin+=73.9db,由椭圆函数曲线表[2]可得到所设计的低通滤波器的阶数为7阶，再根据椭圆函数7阶LC参数表可得出归一化的LC参数，再由去归一化公式：'CCZFSF,'LZLFSF,得到实际参数。式中Z为100，2FSFfc,参数列于表4，电路图如图5所示，PSPISE仿真图如图6所示。模型参数归一化前参数去归一化后实际参数C11.23439.3PfC20.12173.88PfL21.2640.403uHC31.73155.1PfC40.596519PfL40.95250.303uHC51.55749.6PfC60.423513.5PfL60.98500.314uHC70.999231.8Pf表4参数计算表图57阶椭圆滤波电路图图6滤波电路仿真图IOUT输出的正弦信号经过低通滤波之后，由VINP进入AD9851内部的高速比较器，VOUT输出的为稳定精确的脉冲信号。脉冲信号经过放大电路[3]则可调节其幅度，放大电路如图7所示。图7脉冲幅度放大电路设计中MSP430F169、AD9851和AD8044都使用3.3V电源，采用电源芯片TPS70633具有电压稳定，功耗低的特点，电路图如图8所示。图8电源电路3.2软件设计频率控制字及相位控制字的计算，根据DDS信号的特性：初始相位为45O；6倍参考时钟使能（外部时钟为30M）；电源工作模式；输出频率为8M由公式（1），（2）可算出W0—W5分别为：W0=00100001；W1=00001011；W2=01100000；W3=10110110；W4=00001011。AD9851内部有40位寄存器，包括32个存储频率控制字的寄存器，5个用于存储相位调制字，一个存储6倍参考时钟倍乘器控制位，一个存储使能控制位，一个存储电源休眠功能控制字。寄存器接收数据的方式有并行和串行两种方式。并行装载是通过8位数据总线完成40位控制数据的输入。W_CLK上升沿写入一组8位数据，连续5个W_CLK上升沿后，完成全部40位控制字的输入，此时控制FQ_UD为上升沿，当上升沿到来之时40位数据会从输入寄存器写入频率和相位控制寄存器，更新DDS的输出频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器W0。时序如图9所示。图9并行工作方式时序图先将40位控制字写入单片机FLASH中，再利用P6.3,P6.4控制W_CLK,FQ_UD,利用并行方式，通过P4口将40位控制字写入AD9851的频率相位寄存器中。4.结论采用新款低功耗带FLASH存储器的微处理器MSP430F169，可对信号频率、相位在线调节，具有精度高、功耗低的优点。7阶椭圆低通滤波电路使其幅频特性更好，对高频杂散分量抑制作用明显。电路采用电池供电具有便携式的优点。参考文献：[1]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机.北京：北京航空航天大学出版社，2002.[2]阿瑟·B·威廉斯电子滤波器设计手册[M].喻春轩等译.北京:电子工业出版社,1986.[3]童诗白，华成英主编.模拟电子技术基础第三版.北京：高等教育出版社，2000.