基于DDS技术的任意波形发生器的设计

基于DDS技术的任意波形发生器的设计1.设计思路信号发生器广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。本设计研究的信号发生器的基本思路是：基于DDS芯片AD9850基础的任意波形发生器。系统是基于AD9850芯片产生的波形。它是由相位累加器、正弦查询表、D/A转换器组成的集成芯片。其中相位累加器的位数N=32位，寻址RAM用14位，舍去18位，采用高速10位数模转换，DDS的时钟频率为125MHz，输出信号频率分辨率可达0.0291Hz；系统的微处理器采用8051，外围电路主要是接口电路、调幅电路、滤波电路和积分电路的设计。同时还包括键盘接口。系统的软件主要是启动和初始化8051，然后处理键盘输入的频率控制字和相位控制字，并将其转换为32位的二进制数的控制字，最后并行递交给AD9850并启动AD9850，让它实现从正弦查询表中取数产生波形再输出。2.方案设计2.1DDS的基本原理1971年，美国学者J.Tierncy,C.M.Rader和B.Gold提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。近20年间，随着技术和器件水平的提高，一种新的频率合成技术——直接数字合成频率合成（DDS）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佼佼者。DDS基本原理图如图1所示，DDS由相位累加器，只读存储器，数模转换器DAC及低通滤波器组成。以合成正弦波为例，幅值表ROM中存有正弦波的幅值码，相位累加器在时钟fc的触发下，对频率控制字K进行累加，相位累加器输出的相位序列（即相码）作为地址去寻址ROM，得到一系列离散的幅度编码（即幅码）。该幅码经过DAC变换后得到模拟的阶梯电压，再经过低通滤波器平滑后，即得到所需的正弦信号。一般将相位累加器和ROM合称为NCO（数控振荡器）图1DDS的基本原理图相位累加器的结构如图2所示，由N位字长的二进制加法器与一个由时钟取样所得的N位二进制相位累加寄存器级联构成，加法器的一个出入端与相位寄存器的输出端相连，另一个输入端相连，另一个输入端是外部的频率控制字K。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所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与频率控制数据相加。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是就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。图2相位累加器的结构Clockba相位累加器波形存储器D/ALPF频率控制字设相位累加器的位数为N，时钟频率为fc,当频率控制字为K时，DDS的输出频率fo为：fo=K×fc/2N2.2DDS的特点其主要优点有：（1）频率转换快：DDS频率转换时间短，一般在纳秒级；（2）分辨率高：大多数DDS可提供的频率分辨率在1Hz数量级，许多可达0.001Hz；（3）频率合成范围宽；（4）相位噪声低，信号纯度高；（5）可控制相位：DDS可方便地控制输出信号的相位，在频率变换时也能保持相位联系；（6）生成的正弦/余弦信号正交特性好等。因此，利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。2.3系统的总体设计2.3.1本设计的技术指标本设计要求的波形发生器可产生正弦波、方波、三角波以及便于产生频率可变而且具有高分辨率的波形。它要求频率范围在0MHz～40MHz，要求幅值范围在-10V～+10V。2.3.2系统方案本设计采用的是直接数字法设计波形发生器中的基于相位累加器的数字频率合成法。这种结构主要由相位累加器、数据存储器、D/A转换器、低通滤波器组成，它是一种全新的直接数字合成方式。图3基于相位累加器的直接数字合成结构图在此设计中的基于DDS技术的信号发生器，是通过用单片机编程将控制字并行送入DDS芯片AD9850，然后由AD9850产生波形输出，即采用基于相位累加器的数字频率合成法，利用直接数字合成芯片AD9850产生波形。在该芯片中集成了相位累加器、正弦查询表、D/A转换器以及高速的比较器。我们再加入单片机、滤波器和一个微分电路就可实现我们所要的波形了。要想实现我们想要的频率和幅度值，因为在DDS系统中决定频率大小的是频率控制字，所以我们可以通过键盘由用户键入十进制数，再由单片机编程控制将十进制转化成对应的二进制，然后送入AD9850产生波形。而幅值是通过调幅电路实现的。2.3.3系统原理图考虑到各方面的原因，可以得到系统框图如下：图4系统总框图此系统主要由键盘、接口电路、8051、DDS芯片AD9850及调理电路5部分组成。外围电路由单片机的复位电路和振荡电路组成。调理电路部分由低通滤波器、调幅电路和微分电路组成。3.单元电路设计3.1单片机的选择现在单片机种类比较多，在本设计中我们选择Intel公司的MCS-51单片机系列中的8051单片机。8051单片机的基本组成请参见图5CPU时钟电路并行接口定时/计数器RAMROM串行接口中断系统P0P3P2P1TxDRxDINT0INT1T0T1图5MCS-51单片机结构框图8051包括8个部分：1.中央处理器（CPU）2.内部数据存储器（内部RAM）3.内部程序存储器（内部ROM）4.定时器/计数器5.并行I/O口6.串行口7.中断控制系统8。时钟电路MCS-51虽然是一个单片机芯片，但作为计算机应该具有的基本部件它都包括，因此实际上它已是一个简单的微型计算机系统了。MCS-51的信号引脚介绍：MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列请参见图4.2。(a)信号引脚介绍P0.0～P0.7：P0口8位双向口线。P1.0～P1.7：P1口8位双向口线。P2.0～P2.7：P2口8位双向口线。P3.0～P3.7：P3口8位双向口线。ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。PSEN：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。EA：访问程序存储控制信号。当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当EA信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。VSS：地线。VCC：+5V电源。以上是MCS-51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明，读者可以对照实际电路找到相应引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9RXDP3.010TXDP3.111INT0P3.212INT1P3.313T0P3.414T1P3.515WRP3.616RDP3.717XTAL218XTAL119VSS20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40803180518751图6MCS–51引脚图(b)信号引脚的第二功能由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数目是有限制的。例如MCS-51系列把芯片引脚数目限定为40条，但单片机为实现其功能所需要的信号数目却远远超过此数，因此就出现了需要与可能的矛盾。如何解决这个矛盾？“兼职”是唯一可行的办法，即给一些信号引脚赋以双重功能。如果把前述的信号定义为引脚第一功能的话，则根据需要再定义的信号就是它的第二功能。下面介绍一些信号引脚的第二功能。（1）P3口线的第二功能P3的8条口线都定义有第二功能，详见表3.1。（2）EPROM存储器程序固化所需要的信号有内部EPROM的单片机芯片（例如8751），为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚以第二功能的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：31脚（EA/VPP）表3.1P3口各引脚与第二功能表（3）备用电源引入MCS-51单片机的备用电源也是以第二功能的方式由9脚（RST/VPD）引入的。当电源发生故障电压降低到下限值时，备用电源经此端向内部RAM提供电压，以保护内部RAM中的信息不丢失。以上把MCS-51单片机的全部信号，分别以第一功能和第二功能的形式列出。对于各种型号的芯片，其引脚的第一功能信号是相同的，所不同的只在引脚的第二功能信号。对于9、30和31三个引脚，由于第一功能信号与第二功能信号是单片机在不同工作方式下的信号，因此不会发生使用上的矛盾。但是P3口的情况却有所不同，它的第二功能信号都是单片机的重要控制信号。因此在实际使用时，都是先按需要选用第二功能信号，剩下的才以第一功能的身份作数据位的输入输出使用。3.2DDS芯片AD9850的主要性能AD9850是美国AD公司生产的最高时钟速率为125MHz,采用先进的CMOS技术制造出来的直接数字式频率合成器。它具有频率分辨率高、输出频谱纯度高和快速频率转换等性能,同时,该器件还具有体积小、使用简便、性能价格比高的引脚第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.20INT外部中断0申请P3.31INT外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0的外部输入P3.5T1定时器/计数器1的外部输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通优点。在便携式通信、雷达系统、跳频通信等领域具有广泛的应用前景。AD9850的主要性能特点(1)125MHz时钟速度(2)集成在一块集成电路板上的高性能DAC和高速比较器(3)在40MHz模拟输出时，DAC输出的SFDR50db(4)32b频率控制字．(5)简单的控制接口：并行或串行输入形式(6)具有相位调制能力。(7)+3.3V或+5V电源均可工作。(+5V时，380mW、125M时钟；+3.3V时，155mW)(8)功率下调功能．(9)极小的28管脚表面封装形式AD9850主要可用于以下几个方面：(1)灵活可变的正弦波合成器．(2)可用于数字通信的时钟恢复和锁定回路．(3)数控ADC译码器．(4)灵活可变的本振合成器。AD9850的管脚介绍AD9850外形图如下图：`图7AD9850的引脚排列图D0D4D1D5D2D6D3LSBMSBD7DGNDDGNDDVDDDVDDW_CLKRESETFQ_UDIOUTCLKINIOUTBAGNDAGNDAVDDAVDDRSETDACBLQOUTBVINPQOUTVINN管脚功能说明：CLKIN：参考时钟输入，此时钟输入可以是连续的CMOS序列，也可以是经1/2电源电压偏置的模拟正弦波输入。RSET：是DAC外部电阻RSET连接处，此电阻设置了DAC输出电流的幅值，一般情况下Iout=10mA,Rset=3.9kΩ,Rset与Iout的关系式为Iout=32×1.248V/Rset。AGND：模拟电路地（模拟电路有DAC和比较器）。DGND：数字电路地。DVDD：数字电路电源。AVDD：模拟电路电源。W_C