應(yīng)用DDS芯片AD9835開(kāi)發(fā)的一種高精度頻率信號(hào)發(fā)生器

摘要：介紹了一種DDS專(zhuān)用芯片AD9835，并利用該芯片設(shè)計(jì)了一種高精度頻率信號(hào)發(fā)生器，討論了DDS芯片的基本原理、應(yīng)用及其與計(jì)算機(jī)、單片機(jī)的接口。并對(duì)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：頻率合成DDS 信號(hào)源 調(diào)制

高精度測(cè)量往往需采用高精度、高穩(wěn)定性、高分辨率的頻率信號(hào)源。采用多個(gè)鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器，電路復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且信號(hào)建立時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)特性較差。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）采用高速數(shù)字電路和高速D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有以往頻率合成器難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)，如頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短（20ns）、頻率分辨率高（0.01Hz）、頻率穩(wěn)定度高（10 -7至10 -8）、輸出信號(hào)頻率和相位可快速程控切換等，因此可以很容易地對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式調(diào)制。而且，由于DDS是數(shù)字化高密度集成電路產(chǎn)品，芯片體積小、或耗低，因此可以用DDS構(gòu)成高性能頻率合成信號(hào)源而取代傳統(tǒng)頻率信號(hào)源產(chǎn)品。

我們采用Analog公司的AD9835 DDS專(zhuān)用芯片設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)及計(jì)算機(jī)控制的合成信號(hào)源，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

頻率范圍：0.1Hz～10MHz

頻率分辨率：0.1Hz

頻率穩(wěn)定度：1×10 -7

輸出幅度：0～±10V可調(diào)

輸出波形：正弦波、方波（TTL電平）、PSK、FSK、掃頻

本信號(hào)源有可以任意切換的兩種控制方法：一種是用PC機(jī)上的并口傳遞控制指令及參數(shù)，為此我們用VB編寫(xiě)了Windows 9x操作系統(tǒng)下的控制界面，通過(guò)該程序可以非常容易地設(shè)定各種控制參數(shù)；另一種是用單片機(jī)控制，通過(guò)面板按鈕設(shè)定參數(shù)和選擇功能菜單，便于野外脫機(jī)使用。

1 DDS工作原理

1.1 DDS技術(shù)

AD9835中使用的DDS技術(shù)是從連續(xù)信號(hào)的相位φ出發(fā)，將一個(gè)余弦信號(hào)取樣、量化、編碼，形成一個(gè)余弦函數(shù)表儲(chǔ)存在ROM中。合成時(shí)改變相位增量，由于相位增量不同，一個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)也不同，這樣產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率也就不同，從而達(dá)到頻率合成的效果。

在這里，余弦波信號(hào)本身是非線(xiàn)性的，而其相位是線(xiàn)性的（如圖1所示）。因此，每隔一段時(shí)間Δt（時(shí)鐘周期），相對(duì)應(yīng)的相位變化ΔP，即

ΔP=ωΔt=2πfΔt (1)

從（1）式可得合成信號(hào)的頻率f為：

f=(ΔP×fmc)/2π (2)

式中，fmc為固定時(shí)鐘頻率，fmc=1/Δt，通過(guò)改變相位值ΔP就可以改變合成信號(hào)的頻率f。

DDS芯片AD9835原理框圖如圖2所示。其中，相位累加器為32位，取其高12位作為讀取余弦波形存儲(chǔ)器的地睛。每一次，時(shí)鐘使相位累加器的輸出也即余弦ROM尋址地址遞增頻率設(shè)定數(shù)據(jù)K，對(duì)應(yīng)的波形相位變化為：

ΔP=2πK/2 32 (3)

因此，改變相位累加器設(shè)定值K，就可以改變相位值ΔP，從而改變合成信號(hào)頻率f。經(jīng)簡(jiǎn)化，合成信號(hào)頻率由下式?jīng)Q定：

f=K·fmc/2 32 （4）

式中，fmc=50MHz，用高穩(wěn)定度晶體振蕩器獲得。K值在1K2 31之間。最低頻率為fmin=fmc2 32，本例為0.0116Hz，這也是本例的頻率分辨率；根據(jù)Nyquist采樣定律，重建信號(hào)頻率最高可達(dá)fmc/2，但通常取最高頻率為fmax=fmc/3。

1.2 AD9835芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD9835內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。它有一個(gè)32位相位累加器，兩個(gè)32位頻率寄存器F0和F1（用于設(shè)定K值），四個(gè)12位相位寄存器P0、P1、P2、P3。程控切換F0、F1時(shí)，可實(shí)現(xiàn)FSK和掃頻功能；程控切換P0、P1、P2、P3時(shí)，可實(shí)現(xiàn)相位PSK調(diào)制。余弦函數(shù)表儲(chǔ)存在ROM中。

32位相位累加器的輸出值截取高12位后與12位相位寄存器Pi值相加，構(gòu)成12位的相位地址，去尋址余弦ROM表。尋址得到的幅度值經(jīng)10位的高速D/A轉(zhuǎn)換后成為合成余弦信號(hào)。輸出信號(hào)S對(duì)所有DAC輸出噪聲N之比SNR主要與D/A的位數(shù)有關(guān)，即與數(shù)字量化噪聲有關(guān)。理論分析可知10位D/A的SNR可達(dá)60.2dB，AD公司資料給出的AD9835實(shí)際SNR優(yōu)于50dB。輸出信號(hào)總諧波分量畸變量與兩主號(hào)頻率之比m=fmc/f有，m值越大，諧波畸變?cè)叫。?img onload="if(this.width>620)this.width=620;" onclick="window.open(this.src)" style="cursor:pointer" border="0" src="aet/200106/23g.gif" align="right" hspace="1" vspace="1" width="298" height="214">m值較小時(shí)，諧波畸變較大。為消除m較小的諧波畸變，輸出端采用LC高階低通濾波器濾除高次諧波。本例中使用的是5階Butterworth低通濾波器，可以將50MHz以上的高次諧波降低至-60dB，完全滿(mǎn)足高精度信號(hào)源的要求。

圖3中引腳FSELECT、PSEL0、PSEL1是外加調(diào)制信號(hào)，可用于對(duì)DDS進(jìn)行直接位控調(diào)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字二值調(diào)頻（FSK）和數(shù)字四值調(diào)相（PSK）。引腳FSYNC、SCLK、SDATA用來(lái)對(duì)DDS進(jìn)行程控工作模式設(shè)定。數(shù)據(jù)傳輸方式為同步串行方式。圖3中，AD9835可以設(shè)定為SLEEP、RESET工作方式，在SLEEP工作方式下，功耗僅為1.75mW。

2 DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)源框圖

圖4為系統(tǒng)框圖。開(kāi)關(guān)SW切向上方時(shí)，信號(hào)源由單片機(jī)控制，工作模式、頻率和相位參數(shù)由鍵盤(pán)設(shè)定，采用8位LED數(shù)碼管顯示，頻率分辨率為0.1Hz，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻、掃頻、PSK、FSK四種工作模式。開(kāi)關(guān)SW切向下端時(shí)，則由PC機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)并口進(jìn)行程控，工作模式與單片機(jī)控制時(shí)相同。為保證0～10MHz的信號(hào)輸出頻帶，濾波器采用無(wú)源LC 5階濾波器。AD9835的D/A輸出僅1.2V左右，信號(hào)經(jīng)兩級(jí)寬帶高速運(yùn)放放大近20倍后輸出。要滿(mǎn)足大信號(hào)10V幅度輸出時(shí)無(wú)失真，末級(jí)放大器的擺率應(yīng)滿(mǎn)足S≥ωVm。在10MHz時(shí)，經(jīng)計(jì)算，S≥600V/μs。

2.2 控制程序

無(wú)論是在PC機(jī)上用VB編程，還是在單片機(jī)上用匯編語(yǔ)言編程，主程序框圖基本一致，如圖5所示。在圖5中，“初始化”是指對(duì)AD9835定入控制字，包括設(shè)置SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC等位，還要選擇在以后的調(diào)制中使用管腳還是串行控制位來(lái)控制AD9835。一旦設(shè)定后，AD9835將保持設(shè)定狀態(tài)不變，直到重新進(jìn)行設(shè)置。

由于AD9835控制參數(shù)要求以同步串行方式輸入，因此用PC機(jī)控制的時(shí)候，采用PC機(jī)并口輸出的辦法。用并口數(shù)據(jù)位線(xiàn)分別模擬幀同步FSYNC、同步時(shí)鐘SCLK和串行數(shù)據(jù)SDATA，按參數(shù)要求將其串行化后裝配成并行數(shù)據(jù)從并行口輸出。另外，由于VB本身不具有口讀寫(xiě)功能，因此需要用其他語(yǔ)言編寫(xiě)口讀寫(xiě)功能函數(shù)后用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。DLL的形式調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)口輸出。本程序也可以和虛擬儀器組合使用，構(gòu)成虛擬儀器界面的數(shù)字頻率信號(hào)發(fā)生器。

2.3 實(shí)測(cè)結(jié)果

本儀器設(shè)計(jì)完成后已投入使用，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從測(cè)量情況來(lái)看，DDS頻率合成器的頻率純度和穩(wěn)定度相當(dāng)高。圖6為合成器輸出頻率2MHz時(shí)的實(shí)測(cè)頻譜圖，圖中縱向每分度為20dB，可見(jiàn)一次倍頻幅度衰減約為-45dB。

圖7為PSK相位跳變時(shí)的波形實(shí)測(cè)圖，相位跳變值為90度，從波形可以看出，相位跳變的瞬時(shí)性和準(zhǔn)確度非常好?？梢跃_控制相位是DDS的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，也是其它頻率合成手段難以達(dá)到的。

圖8為合成器輸出頻率從頻率寄存器F0跳變到F1時(shí)的瞬態(tài)波形，波形銜接得非常好，中間沒(méi)有控制失調(diào)的過(guò)渡帶出現(xiàn)，這也是DDS的突出特點(diǎn)。圖9為FSK調(diào)制波形。

DDS合成信號(hào)源具有高穩(wěn)定性、高精度、高分辨率、高速建立信號(hào)等突出優(yōu)點(diǎn)，是信號(hào)源發(fā)展的方向，在電子對(duì)抗、通訊與測(cè)量等許多方面都有重大的應(yīng)用價(jià)值。用DDS與PLD等芯片組合集成的專(zhuān)用ASIC信號(hào)源芯片、微型程控式任意波形信號(hào)源專(zhuān)用芯片也即將問(wèn)世，這將是信號(hào)源技術(shù)的一大革命。利用砷化鎵及其它高速材料和技術(shù)，可以使DDS頻率進(jìn)一步向高端延伸，從而使其在軟件無(wú)線(xiàn)電方面具有重要的意義。