基于DDS的信号源设计论文

郭泳丽 张晋涛 薛凯栋 史佳茹 侯翰林

摘 要：本文主要介绍了采用直接数字频率合成DDS芯片实现正弦信号输出，并完成调频，调幅功能。它采用美国模拟器件公司（AD公司）的芯片AD9851，并用AT89C51单片机对其控制，首先从DDS芯片的输出，经低通滤波得到正弦信号，然后对该信号进行调频，调幅。其中调频部分可以通过在软件中修改DDS芯片的频率控制字，相位控制字等来实现，而调幅部分需在DDS输出正弦信号之后外加一调幅器实现。调幅部分将DDS输出作为载波信号，RC振荡器提供1KHz振荡作为调幅信号，它利用了乘法器MC1496完成对正弦信号调制。该系统输出稳定度、精度极高，适用于当代的尖端的通信系统和精密的高精度仪器。

关键词：直接数字频率合成（DDS）;AD9851;调频;调幅

1、设计任务及初步规划设计

本课题是利用高性能DDS芯片设计频率范围在0～10 MHz，并能够实现调频、调幅的信号源。要求其频率稳定度小于等于10-6

在对本课题总体规划设计过程中，主要可分成以下几块：

（1）控制电路的设计，其主要功能是完成对DDS芯片的控制，包括频率控制字，相位控制字等的数据输入信号以及频率更新和字输入时钟端等的控制信号。这些控制信号可以由PC机，单片机，可编程逻辑器件PLD，或者常规的数字逻辑电路来产生。PLD是由用户在工作现场进行编程的逻辑器件，在产品研制的未定型阶段，这种方式比较灵活，常规的数字逻辑电路最简单，价格最便宜，最容易上手，但不够灵活。而单片机具有体积小，可控性高，控制功能强，使用方便，性价比较高等诸多优点，我准备采用常用的控制电路的芯片AT8951单片机来完成控制部分的功能。

（2）參考时钟电路设计。参考频率源可选用普通晶体振荡器，温补晶体振荡器或恒温控制晶体震荡器等。其中恒温控制晶体震荡器的性能指标最好，但体积最大，价格也最贵，而普通晶体振荡器虽价格便宜，但其频率稳定度通常较低，所以在工程实际中，一般采用温补晶体振荡器作为DDS的参考时钟输入比较合适。

（3）系统电源设计。系统电源可由直流稳压稳流电源提供，为了安全起见，在电源的后面接上稳压块，由稳压块稳压到电路所需的电压值。直流电源的纹波越小，对提高DDS的性能就越有好处。

（4）正弦信号发生电路。本课题首先要用DDS芯片产生一频率稳定且可调的正弦信号，因此正弦信号性能的好坏直接决定了该设计是否符合技术指标要求，还有进一步的调幅性能的好坏。鉴于2中对DDS芯片AD9851的介绍，用该芯片便可在理论上具有可行性。

2、方案提出及系统整体设计

（1）.常见信号源制作方法

方案 一：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038，可产生正弦波，方波，三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件由于分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也揶揄外部元件有关，因而产生的频率稳定度较差，精度不高，抗干扰能力较低成本较高。

方案 二：采用锁相式频率合成方案，锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的 大量离散频率的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围内可变的矛盾，但频率受VCO可变频率范围响，高低频率比不可能作得很高。

3、硬件电路设计

这里我们采用的是AD公司的DDS系列芯片之一的AD9851，其优异的功能，尤其是其先进的CMOS工艺，使其得到广泛的应用。下面就介绍AD9851的原理及性能。

AD9851内部结构

AD9851芯片是AD公司生产的最高时钟频率为180MHz，采用先进的CMOS技术的高集成度直接数字式频率合成器件。它由一个高速DDS，一个高性能DAC以及比较器等构成一个完全数字控制可编程频率合成器，其时钟输入端内置一个6倍频器，并且具有始终产生共嫩能够。

AD9851芯片的主要性能特点有：① 语序最高输入时钟180MHz，同时可选择是否启用内含的6倍频乘法器;② 带有高性能的十位数模转换器;③ 内含一个高速比较器;④ 具有简化的控制接口，允许串/并行异步输入控制字;⑤ 采用32位频率控制字;⑥ 内部使用5位相位调制字;⑦ 允许工作电源范围：+2.7v+5.25v;⑧ 可以工作在掉电方式（低功耗）：4mW+2.7v;⑨ 其自由寄生动态范围（SFDR）>43dB@70MHz输出;⑩ 采用极小的28脚贴片式封装。

AD9851可用作一个高精度的可编程的数字频率合成器和时钟生成器，当参考时钟源的频率精度很高时，AD9851输出的数字化的模拟正弦波的频率和相位都很稳定，生成的正弦波经滤波后可直接用作频率源，也可通过内部的比较器转换成方波作时钟源。

由于AD9851的核心具有32bits的频率控制字，当系统输入时钟频率为180MHz时，其输出频率分辨率接近0.024Hz。AD9851还提供5bits的可编程相位控制字，其输出相位可以以11.25的增益改变。可编程启用AD9851内部集成的6倍频参考时钟乘法器这样输入的时钟频率不需要很高，且该乘法器具有很小的SFDR和相位噪声。

4、软件设计

单片机完成对AD9851的控制和人机交互。40位数据分五次发送，系统以键盘为控制信息输入，单片机获取控制信号后处理，区别不同的状态，按照程序流程图，对系统进行控制，以达到题目要求。修改AD9851的频率控制字有并行和串行两种方式，由于系统由软件调频，要求频率变化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9851，提高速度，实现较好的调频效果。

5、硬件电路调试

5.1.调试与测试所用仪器

1.微机一台以及Protel软件;

2.信号源;

3.示波器;

4.万用表;

5.直流稳压电源;

6.失真度仪;

5.2 软件调试

本系统的软件系统采用C编写，调试也是分模块进行，各个模块调试通过函数里调这样写结构明了，出错时容易查错。

5.3 总调试

按程序定义的各个口分别把线接好，然后把程序写进单片机控制各个模块。依据设计要求，分别对输出波形、输出电压峰峰值、输出频率和功率放大器输出测试。

6、结论

系统测试指标均达到要求，部分指标超过题目要求：

正弦波输出频率：0～12MHz;

输出信号频率稳定度：优于10-6;

自行产生1kHz正弦调制信号;产生FM信号在100kHz～10MHz内最大频偏可5kHz/10kHz/20kHz程控;

存在误差为人为误差、硬件误差、测量仪器误差、杂散引入误差。

减小误差可从改变电路，提高仪器精度，减弱外界干扰和多次测量取平均值等方面改善。

使用说明

通过本次毕业设计，我学到了许多有用的知识。例如通信领域的调频，调幅等多种调制方法;基本的键盘与显示模块设计;学会使用了一种高集成芯片AD9851，尤其掌握了其原理还有工作特性，它不仅可以产生正弦信号，还可以其通过添加辅助电路使其输出方波信号，三角波信号等常用信号源波形。

参考文献

[1] 李东生.Protel 99SE 电路设计技术入门与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2002

[2] 雷晓平.单片计算机及其运用[M].电子科技大学出版社，1997