基于AD9850锁相环频率合成器的研究与设计

章小宝

摘要:本系统以51单片机为控制核心,由正弦信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9850产生1Hz-35MHz正弦信号,1Hz-1MHz方波,输出方波频率为500KHz时上升沿和下降沿有点失真,幅度为5V,最高输出正弦波频率为35MHz无失真,幅度为0.6V。测试信号发生模块产生的1kHz正弦信号。

关键词:直接数字频率合成,AD9850

1引言

1.1课题研究的意义与作用

1971年,美国学者j.Tierney等人撰写的“A Digital Frequency Synthesizer”-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。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10年间,随着微电子技术的迅速发展,直接数字频率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS[2]或DDFS)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姣姣者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面,并具有极高的性价比。

1.2 DDS的研究现状及发展趋势

在频率合成(FS, Frequency Synthesis)领域中,常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环(fractional-N PLL Synthesis)等,直接数字合成(Direct Digital Synthesis-DDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS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,通过高速D/A变换器产生所需的数字波形(通常是正弦波形),这个数字波经过一个模拟滤波器后,得到最终的模拟信号波形。如图1所示,通过高速DAC产生数字正弦数字波形,通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号,最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。

DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外,DDS的固有特性还包括:相当好的频率和相位分辨率(频率的可控范围达μHz级,相位控制小于0.09°),能够进行快速的信号变换(输出DAC的转换速率300百万次/秒)。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。

其实,以前DDS价格昂贵、功耗大(以前的功耗达Watt级)、DAC器件转换速率不高,应用受到限制,因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展,DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件,其功耗降低到mW级(AD9850在3.3v时功耗为650mW),功能增加了,价格便宜。因此,DDS也获得广泛的应用:现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN系统、雷达、卫星通信。

2DDS信号源系统设计[1]

2.1正弦波生成方案

采用单片机最小系统与AD9850并行接口方式对时钟频率进行分频控制,再连接锁相环,是输出波形的频率更加稳定。如图2所示,AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850是以高速的直接数字合成器(DDS)为核心根据设定的32位频率控制字和5位相移控制字,可产生0.029Hz到62.5MHz的正弦波信号和标准的方波信号,而且DDS芯片转换速度快、性能价格比高、体积小、输出波形稳定度,精度高、分辨率高,而且输出波形的频率、相位可控,能达到题目预期的效果,操作方便,易于实现。

2.2正弦波的生成

本设计中单片机[3]最小系统中的AT89S52与AD9850芯片的接口采用的是8位并行接口方式。AD9850的频率/相位控制字一共有40位,并行加载时,要连续加载5次,D7位最高位,D0位最低位。频率相位控制字的第一个8位中的5位用来控制相位的调制,1位用来低功耗,2位用于装载格式。第2个字节到第5个字节组成32位的频率控制字,其输出信号的频率f=fclk*wd/232 ,其中f 为32位频率控制字的值,fclk为工作时钟。AT89S52的P2口(P2.0脚～P2.7脚)与AD9850的数据口(D0脚～D7脚)相接,AD9850的第7脚WCLK是加载时钟,与引脚FQUD配合,完成数据加载,FQUD为频率/相位更新控制。用单片机的P1.3与P1.1分别与AD9850的WCLK和FQUD相连接,模拟控制字写入时钟来控制数据的定入。本设计中AD9850选用的时钟为100MHz。AD9850波形的输出频率可以达到几十MHz。

利用AT89S52来进行键盘控制1602字符显示屏来显示。初始化时,由芯片AT89S52控制的1602字符显示屏显示“2008 刘涛制作”,当按下S1建时,步进值为1KHZ;按下S2建时,步进值为负1KHZ;按下S3建时,步进值为10KHZ;按下S4建时,步进值为负10KHZ;按下S5建时,步进值为100KHZ;按下S6建时,步进值为负100KHZ;于此同时1602字符显示屏将实时显示输出频率值,显示当前步进值,显示输出频率的单位。

3软件设计

3.1软件功能的实现

程序全部由单片机的C语言编写,由正弦信号发生模块、1602显示模块、键盘控制模块、汉字输入欢迎词模块以及测试信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9850产生0Hz-35MHz正弦信号,1Hz-1MHz方波,输出方波频率为500KHz时上升沿和下降沿有点失真,幅度为5V,最高输出正弦波频率为35MHz无失真,幅度为0.6V。测试信号发生模块产生的1kHz正弦信号。

3.2 软件流程图

3.2.1 总设计流程图

在对系统初始化后,LED显示2008 刘涛,同时AD9850都产生1KHz的正弦波和方波。作为信号发生器的AD9850将在键盘的控制下产生预定的正弦波和方波。设计流程图如图3-1所示。

3.2.2 外设流程图

作为人机界面的键盘和1602字符显示屏通过AT89S52来控制。 能识别键盘上按下键的信号;可充分提高CPU的工作效率。 AT89S52接口方便,由它构成的标准键盘/显示器接口在微机应用系统中使用越来越广泛。键盘和LED的软件流程图如图3-2所示。

3.2.3 AD9850流程图

由于没有对信号进行调幅(AM)、调频(FM),对高频载波进行调幅或调频。因此用一片AT89S52来控制AD9850,接口已经足够,所以没利用8155扩展I/O口。如图3-3。

4结束语

本次设计主要涉及到电路设计、硬件电路的调试以及程序的调试等过程,需要对51系列单片机、DDS、信号发生器系统设计的了解,分析电路等方面的能力,并且需要对AT89C51、AD9850、等所用芯片有所了解。为了发挥其更大的功能,还需深入研究。

参考文献:

[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉:华中理工大学出版社,1994:89-117.

[2]李友平.直接数字频率合成器(DDS)的原理与设计[J].电声技术,1992(11).

[3]马忠梅,籍顺心.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:102-109.