基于DDS技术的信号发生器设计

　　摘要：介绍了一种基于DDS技术的信号发生器的设计方案，给出了DDS工作原理及主要特点、信号发生器的硬件电路及软件流程。该信号发生器通过AT89C51单片机控制DDS芯片AD9851产生相位、频率可控的正弦信号，并配置了相应的键盘输入及显示等外部接口电路，采用汇编语言实现软件控制，电路简单，可靠性高。
　　关键词：信号发生器；DDS；频率转换；正弦输出
　　中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3196-03
　　信号发生器是一种常用的信号源。随着电子技术的发展，对信号源的频率稳定度、频谱纯度、频率范围提出了越来越高的要求，幅值、波形和频率可调的信号发生器广泛应用于智能仪表、外设控制等方面。该文根据实际需要，采用高性能的DDS（数字合成）芯片AD9851设计了一种信号发生器，实现了合成信号的频率转换速度与频率准确度之间的统一。
　　1 DDS工作原理和主要特点
　　图1为典型的DDS模型构成。其中K代表频率控制字，P表示相位控制字，W表示波形控制字，fC为参考时钟频率，N表示相位累加器的字长，L表示ROM的地址位数，D表示ROM的数据位数以及D/A转换器的字长。
　　图1 DDS构成及原理
　　DDS工作原理：相位累加器在fC的控制下以步长K做累加，输出的N位二进制码与P、W相加后，取其高L位作为波形存储器ROM的地址对波形ROM进行寻址，波形ROM寻址输出的D位幅度码S（n）经D/A转换器变成阶梯状波形S(t)，再由低通滤波器滤波后，得到合成的信号波形输出。其中P和W可根据需要选择使用。输出的合成信号波形取决于波形存储器ROM中存放的幅度码，因此采用DDS技术可以产生任意信号波形，并可实现信号频率和幅值可调。
　　由于DDS采用的是全数字频率合成结构，所以DDS技术跟许多传统信号合成方法相比具备许多独有的特点：
　　1）频率分辨率高
　　DDS的最小频率步进量就是它的最低输出频率，即
　　Δfo=fomin=
　　式中：N为相位累加器的字长。
　　可见，只要累加器有足够的字长，即可实现精密的频率分辨率，如可实现Hz甚至μHz数量级的频率步进量。2）能产生频率范围很宽的信号
　　当频率控制字K=1时，DDS的最低输出频率为
　　fomin=
　　当相位累加器的字长N足够大时，可认为DDS的最低合成频率接近于零。在实际设计的DDS系统中，由于输出滤波器的非理想性，一般输出信号的最大频率为参考时钟频率的40%，因此DDS实际输出频率范围是0～40% fc。
　　3）输出频率转换速度快
　　DDS是一个开环系统，当一个新的频率控制字输入时，它会迅速合成并输出相应频率。DDS的频率转换时间即频率控制字的传输时间，也就是一个参考时钟周期：
　　Tc=
　　如fc=10 MHz，转换时间即为100 ns，当参考时钟频率更高（只要满足Tc大于数字门电路的延迟时间即可）时，转换时间会更短。所以可近似认为DDS的频率转换是即时的。
　　4）频率转换时的相位连续性
　　改变DDS系统的输出频率即改变相位累加器每次相加的相位增量。当频率控制字从K1变为K2时，它是在已有的积累相位基础上再每次累加新的相位增量，从而保持了输出相位的连续性。
　　5）输出波形灵活
　　在DDS内部加上调相、调频、调幅等控制方式即可方便灵活地实现相应的调相、调频、调幅功能；改变ROM存储器中的数据即可实现任意波形的输出。
　　2信号发生器硬件设计
　　信号发生器的硬件结构如图2所示，其中单片机控制模块和DDS模块为系统核心，用于产生信号；键盘/显示模块用于实现频率控制字的输入与频率显示功能；滤波模块用于对信号进行后期处理。
　　图2信号发生器硬件结构
　　单片机采用AT89C51芯片。信号发生器工作时，操作者输入十进制数的频率值，单片机将十进制数转化后送入DDS芯片，该值即为频率控制字K。DDS芯片输bsFz9fdlgHu/y5ERcNIxK4/eJ6eFwIgwwzegErIKEuc=出端输出相应的频率，频率值通过LED显示。
　　由于信号发生器中频率控制字的计算非常复杂，有大量的中间变量需要暂存，因此需要扩展外部RAM。本信号发生器采用的片外数据存储器是8 K×8位的静态随机存储器芯片6264。为了实现键盘输入、数据显示输出及控制电路，本信号发生器采用8155扩展了I/O。信号发生器核心器件为DDS芯片AD9851。AD9851由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、6倍参考时钟倍乘器、10位模/数转换器、内部高速比较器组成。由于AD9851内置6×REFCLK倍频器，因此与AT89C51共用一个12 MHz晶振即可满足设计需求。
　　AT89C51与AD9851的接口采用8位并行接口方式。单片机系统扩展I/O芯片8155的PC0～PC2引脚经光电耦合器分别连接到AD9851的复位引脚(RESET)、频率更改引脚(FQ-UD)、写脉冲(W-CLK)引脚，控制AD9851工作，PB0～PB7经光电耦合器分别连接到AD9851的D0～D7作为数据输入口传送入口指令、数据以及设置AD9851的工作方式。AD9851电路如图3所示。图3 AD9851电路
　　由于单片机系统的数字噪声对合成信号有很强的干扰，为此单片机系统与DDS芯片间的连接采用全光电耦