基于DDS技术的高精度数控信号源设计

1基于DDS技术的高精度数控信号源设计周遐，金瑞，曹云川（昆明冶金高等专科学校，云南昆明650033）摘要：本设计是一种采用DDS技术的新型高精度数控信号源，可输出正弦波、方波和三角波.系统中输出波形的频率采用数控方式，可实现对频率的逐Hz调节，频率精度优于0.1Hz，最高输出频率可达70MHz左右.与传统信号源相比，本设计具有输出波形质量好、频率精度和稳定性高、频率范围宽等优点.设计方案简洁，易于实现.关键词：DDS；高精度；信号源；单片机中图分类号：TN741文献标识码：文章编号：DesignofHighPrecisionSignalSourceControlledbyDigitalSignalBasesonDDSTechnologyZHOUXia，JINRui，CAOYun-chuan（KunmingMetallurgyCollege,Kunming650033，China）Abstract:ThisdesignBasesonDDSTechnology,isanewfashionedhighprecisionsignalsourcecontrolledbydigitalsignal.Itcanproducesinewave,quadratewaveandtrigonalwave.INsystem，thefrequencyofdeferentwaveiscontrolledbydigitalsignal,itcanactualizeadjustingfrequencyeveryHz,theprecisionoffrequencyexcelled0.1Hz,thehighestdeferentfrequencycanattainabout70MHz.Compareitwithtraditionalsignalsource,thisdesignhavethemeritofdeferentwave'squalityisbetter,precisionoffrequencyandstabilityishigher,andboundoffrequencyismorewide.Theprojectofdesignispithiness,andispronetoactualize.Keywords:DDS;highprecision;signalsource;MCU0引言传统的信号源一般采用RC振荡电路、LC振荡电路、石英晶体振荡电路或波形发生集成电路来实现，很难在较宽的频带内实现高质量、高频率精度和高稳定性波形的输出，且一般频率调节是通过调节电阻、电感、电容参数或变容二极管的电容量来实现，难于实现高精度和数控调节.收稿日期：第一作者简介：周遐（1959－），男，副教授，高级工程师.主要研究方向：电子技术应用E-mail：[e-mail]2为解决这一问题，我们设计了基于直接数字频率合成器DDS（DirectDigitalFrequencySynthesis）技术的高精度数控信号源.该信号源是一种新型信号源，可通过数控方式来实现对输出波形的频率调节，能在较宽的频带内输出波形质量好、频率精度和稳定性高的正弦波、方波和三角波.基于DDS技术的信号源有多种设计方案，但很多设计方案过于繁琐，实现难度较大.我们的设计采用应用非常广泛的51系列单片机来进行控制，采用简洁的设计即可实现电路功能，非常易于实现，且性价比高.经过实际测试，信号源可做到逐Hz频率调节，频率精度优于0.1Hz，最高输出频率可达70MHz左右，很有应用和推广价值.1频率合成器件选择频率合成技术是将一个或几个高稳定度、高准确度的标准频率进行变换后产生新的离散频率的技术.频率合成技术主要分为直接模拟频率合成法、直接数字频率合成法和间接锁相环式合成法三种类型.由于直接数字频率合成法具有的高精度、高频率、输出波形失真小等优点，其应用更加广泛.实现直接数字频率合成的器件——直接数字频率合成器（DDS）近年来也越来越多地应用在通信、医学和军事等领域.DDS技术源于1971年美国学者j.Tierney等人提出的理念①，近年来随着集成电路制造工艺的发展，DDS器件在技术上更加成熟，应用领域更加广阔.DDS技术的基本工作原理如图1所示.图1DDS技术基本工作原理Fig.1BasalprincipiumofDDStechnology①1971年，美国学者J.Tierney等人撰写的“ADigitalFrequencySynthesizer”一文首次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.3DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，产生所需的数字波形（通常是正弦波形），再通过高速D/A变换器和模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形.在输入频率控制字K的控制下，相位累加器在每次参考时钟脉冲的作用下，输出一个正弦幅值存储器地址，每个地址对应于正弦波的一个相位点.正弦幅值存储器的输出经过数模转换器DAC和低通滤波器LPF后，就可得到由频率控制字K所设定的输出频率.目前生产DDS器件的主要有AD、Qualcomm、Sciteg、Stanford等公司，其中尤以美国AD（ANALOGDEVICES）公司生产的系列DDS器件，因其较高的性价比而使用更加普遍.AD公司生产的系列DDS器件主要有以下几种：正弦波输出的AD9850、AD9851；可实现线性调频的AD9852；两路正交输出的AD9854；以DDS为核心的QPSK调制器AD9853；数字上变频器AD9856、AD9857等.根据设计目标，选用AD9851芯片即可完成设计要求.AD9851芯片的引脚排列及功能如图2所示.图2AD9851引脚排列及功能Fig.2PinsarrayandfunctionofAD9851AD9851内部由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模/数转换器和内部高速比较器几个部分组成.其中具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器构成.该芯片时钟频率可达180MHz,输出正弦波频率可达70MHz,供电电压为3/3.3/5V，最大功耗为650mW.数据输入端3数据输入端4数据输入端2数据输入端5数据输入端1数据输入端6数据输入端0输入端7/串行输入6倍频参考时钟倍乘器接地数字地6倍频参考时钟倍乘器电源正数字电源证字输入时钟端复位端频率更新控制端内部DAC输出端参考时钟输入端互补DAC输出端模拟地模拟地模拟电源正模拟电源正数模转换器外接引脚内部DAC旁路连接端内部比较器负向输出端内部比较器正向输入端内部比较器正向输出端内部比较器负向输入端42系统设计方案2.1系统总体结构图系统总体结构如图3所示.图3系统总体结构图Fig.3Collectivestructureofsystem2.2采用单片机控制AD9851芯片的方式AD9851芯片通常使用单片机或FPGA芯片来控制.本设计方案考虑易于实现，采用了AT89S51单片机来进行控制.单片机与AD9851的连接如图4所示.图4单片机与AD9851的连接图Fig.4ConnectionbetweenMCUandAD9851单片机AT89S514×4键盘DDS芯片AD9851七阶切比雪夫滤波器高速宽带放大器积分电路可编程显示驱动芯片MAX72198位数码管显示30MHz高稳定度有源晶振5V电源正弦波输出三角波输出方波输出比较器P2.0P2.1P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89S51D0D1D2D3D4D5D6D7IOUTWCLKFQ_UDAD9851正弦波输出5向AD9851芯片写入控制数据有并行和串行两种方式，本设计采用并行方式，这样可使单片机程序编写更简洁一些.在AD9851芯片WCLK引脚的每个上升沿可从单片机P1口的P1.1～P1.7引脚向AD9851芯片的数据输入端D0～D7写入8位数据，经过5次数据传送后，在FQ_UD引脚的上升沿将单片机传送的40位数据从AD9851的数据输入寄存器转入频率/相位寄存器，对频率/相位寄存器的控制数据进行刷新.AD9851的频率/相位寄存器中存放的是40位控制数据，数据不同，就可以使AD9851输出频率和相位不同的正弦波信号.AD9851芯片40位控制数据的含意如表1所示：表1AD9851芯片40位控制数据含意Tab.1MeaningoffortybitscontroldataofAD9851chipW0（控制字0）W1～W4（控制字1～4）D7～D3D2D1D0FD31～FD0相位调制字，不进行相位调制时可悬空掉电方式控制位，“0”为非掉电工作方式，“1”为掉电工作方式数据写入方式标志位，“0”为并行方式，“1”为串行方式6倍频器控制位，“0”为不启用6倍频，“1”为启用6倍频32位频率控制字，用32位二进制数值表示，W1为高位，W4为低位通过改变32位频率控制字的数值，就可以使信号发生器输出不同频率的信号.如果AD9851的时钟频率为f0,32位频率控制字为K，则输出频率数值为f＝Kf0/232.如在本设计方案中，采用30MHz晶振，启用AD9851内部的6倍频电路，则AD9851的时钟频率为180MHz，若要输出1MHz的信号，则频率控制字应为（23860929）10，换算成为二进制，即（1011011000001011011000001）2.这样，由单片机送出相应的控制字，就可以得到所需频率的信号.在上电复位后，AD9851内部寄存器自动清零，自动设定为非掉电工作、并行数据输入、不启用6倍频器工作方式，数据输入端D0～D7指向控制字W0，此时通过单片机P2.0引脚产生一个上升沿信号，就可以将W0控制字从单片机P1口的P1.1～P1.7引脚写入AD9851的数据输入寄存器中，进而再由单片机P2.0引脚产生上升沿信号，就可以顺次将32位二进制频率控制字按由高位向低位的顺序从单片机写入W1～W4控制字的数据输入寄存器.数据输入完成后，通过单片机P2.1引脚产生一个上升沿信号，就可以将单片机传送的40位数据从AD9851的数据输入寄存器转入频率/相位寄存器，对频率/相位寄存器的控制数据进行刷新，AD9851的IOUT引脚即产生设定频率的正弦波信号.2.3输出滤波器的设计6由AD9851输出的波形，通过滤波器滤波后，可得到质量更好的正弦波.在本设计中，采用七阶切比雪夫滤波器，如图5所示.2.4其它外围电路设计本设计方案的输入采用4×4键盘.图5七阶切比雪夫滤波器显示驱动采用了MAXIM公司生产的Fig.5SevenranksChebyshevfilterMAX7219可编程显示驱动芯片，单片机只需使用三只引脚，便可驱动8只数码管进行显示，且数码管的亮度可用软件进行调节.正弦波及波形变换中的放大器应选用宽带高速放大器，如OP27、AD817、SG811和TL084等.2.5程序设计流程程序设计流程如图6所示.NOYES图6程序设计流程Fig.6Flowchartofprogramdesign程序初始化是否有按键按下按键检测键值处理，通过查表，生成频率控制字将频率控制字送入AD9851更新数码管显示清看门狗73结论该基于DDS芯片AD9851的高精度数控信号源，采用单片机控制，性价比高，易于实现.且输出波形质量高，可做到逐Hz频率调节，频率精度优于0.1Hz.通过测试，最高输出频率可达70MHz左右，很有应用和推广价值.参考文献：[1]高吉祥.高频电子线路[M].北京：电子工业出版社，2007.[2]韩志军，沈晋源，王振波.单片机应用系统设计[M].北京：机械工业出版社，2005.[3]王治刚.单片机应用技术与实训[M].北京：清华大学出版社，2004.[4]高健.现代通信系统[M].北京：机械工业出版社，2004.[5]卢孟夏，胡智娟，薛永毅，段丽.通信技术概论[M].北京：高等教育出版社，2005.[6]胡宴如.高频电子