基于AD9850的多功能信號源設計
摘要 :AD9850以芯片為多功能信號源頻率合成核心,以單片機(89C52)為控制和數(shù)據(jù)處理核心,實現(xiàn)了正弦波、方波及AM、FM、ASK、FSK、PSK 等調制波形的產生和輸出。結合鍵盤和顯示部分,實現(xiàn)了任意頻率值的選擇和顯示,構成了一個完整實用的信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器可在10 Hz~40 MHz范圍內實現(xiàn)任意頻率的輸出,步進值和輸出幅值可調。經過對系統(tǒng)的最終測試與實驗數(shù)據(jù)分析表明,該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、且范圍寬等優(yōu)點。
本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201610/307886.htm直接數(shù)字合成技術(Direct Digital Synthesizer,DDS)是由一個參考頻率源產生多種頻率的技術,其采用數(shù)字信號控制的相位增量,具有頻率轉換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可編程、全數(shù)字化易于集成等優(yōu)點。因此,得到了廣泛的應用。本文提出了以直接頻率合成芯片AD9850為核心的多功能信號源的設計方案,給出了實現(xiàn)多種信號生成的具體方法。
1 直接數(shù)字頻率合成原理及構成
AD9850是美國AD公司推出的高集成度頻率合成器,內含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器,能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器,其由一個加法器和一個N位相位寄存器組成。每來一個時鐘脈沖,加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加,將相加后的結果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端,累加寄存器將加法器在上一個時鐘作用后所產生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端,以使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣,相位累加器在參考時鐘的作用下進行線性相位累加,當相位累加器累加滿量時就會產生一次溢出,完成一個周期性的動作,這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期,累加器的溢出頻率就是輸出的信號頻率。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后,可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息,每個地址對應正弦波中0°~360°范圍的一個相位點。查詢表將輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號,然后驅動DAC以輸出模式量,實現(xiàn)正弦信號的合成。
相位寄存器每經個fc時鐘周期后回到初始狀態(tài),相應地,正弦查找表經過一個循環(huán)回到初始位置,DDS輸出一個正弦波。輸出的正弦波周期為
頻率控制字與輸出信號頻率和參考時鐘頻率之間的關系為
M=(fout·2N)/fc, 0≤M≤2N-1 (3)
其中,N是相位累加器的字長;M是頻率控制字的字長;fc是晶振頻率;fout是輸出頻率,從式(1)~式(3)可看出頻率控制字與輸出信號頻率成正比關系。相位累加器輸出位并不全部加到查詢表,而要截斷。相位截斷減小了查詢表長度,但并不影響頻率分辨率,對最終輸出僅增加一個較小的相位噪聲。DAC分辨率一般比查詢表長度小2~4位。通常用頻率增量來表示頻率合成器的分辨率,DDS的最小分辨率為
接上精密時鐘源并寫入控制字后,AD9850就可產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。如果經過內部高速比較器轉換后則可得到方波輸出。一個基本的DDS結構,主要由參考時鐘、相位累加器、相位調制器、ROM查找表、D/A轉換器(DAC)和低通濾波器(LPF)構成,如圖1所示。
2 多功能信號源的總體設計
2.1 系統(tǒng)總體設計框架
為實現(xiàn)多功能常用信號源的設計要求,選用AD9850為頻率合成核心芯片,AD9850是一個運用先進的DDS技術,并結合集成在一片芯片內的高速、高性能的D/A轉換電路和比較器構成一個完全數(shù)控的可編程頻率合成器,且具有時鐘產生功能的高度集成芯片。當有一個精確時鐘源作為參考頻率源時,AD9850 能產生一個頻譜很純的頻率或相位可編程的模擬正弦波輸出。對于125 MHz參考時鐘,AD9850能產生一個32位頻率調整控制字,其導致一個0.029 1 Hz的輸出調諧頻率分辨率。另外,AD9850采用先進的CMOS工藝,在3.3 V供電時其功耗僅為155mW。
將單片機實現(xiàn)對DDS的控制與微機實現(xiàn)的控制相比,具有編程控制簡便、接口簡單、成本低、容易實現(xiàn)系統(tǒng)小型化等優(yōu)點,因此采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)控制芯片,主要功能是完成對外部信號的采樣、運算、頻率控制,鍵盤數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?矩陣鍵盤用于進行正弦波、方波頻率參數(shù)設定;各個信號的輸出選擇,頻偏、調制度的設定以及其他功能設置;按照指標要求可完成正弦波、方波、FM波、AM波、PM波的輸出。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。
2.2 單片機與DDS芯片的連接方式
AD9850的40位頻率/相位控制字可通過并行或串行兩種方式送入器件。選用并行傳輸方式,充分發(fā)揮芯片AD9850的高速性能。在并行方式下連續(xù)輸入 5次數(shù)據(jù),每次輸入8位(1 Byte),將40位頻率/相位控制字送入器件。系統(tǒng)中,單片機通過數(shù)據(jù)鎖存器和控制鎖存器來實現(xiàn)對AD9850模塊的控制,數(shù)據(jù)鎖存器打開時,控制鎖存器關閉,此時傳輸數(shù)據(jù);控制鎖存器打開時,數(shù)據(jù)鎖存器關閉,此時根據(jù)AD9850的時序對W_CLK、FQ_UD、RESET執(zhí)行相應的操作。單片機 89C52控制AD9850工作連線圖,如圖3所示。
3 多功能信號源各個輸出信號實現(xiàn)
3.1 正弦波信號的實現(xiàn)
要得到所需要頻率的信號,關鍵是計算該信號所對應的40位控制字。AD9850中40位控制字其中相位控制占5位,所以相位控制位的精度為 360/25=11.25,根據(jù)實際需要設置不同的相位控制字,便可實現(xiàn)不同精度的相位控制,所以相位控制位可采用11.25、22.5、45,90、 180和其的倍數(shù)精度來設置,例如選用11.25°,用二進制表示為00001,若相位控制為90°,則控制字為01000。40位控制字中頻率控制占 32位,頻率控制字M可根據(jù)需要輸出頻率值經式(3)計算得出,再將所計算出的M通過單片機STC89C52并口寫入芯片AD9850,AD9850根據(jù)控制字來設定相位累加器的步長大小。AD9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查詢表,查詢表的輸出再被截斷成10位后輸入到 DAC,DAC再輸出兩個互補的電流。將波形存儲器的輸出送到D/A轉換器,得到所需頻率的正弦波信號。
3.2 AM調制信號的實現(xiàn)
AM調制是調制信號控制高頻正弦載波的幅度按照調制信號的規(guī)律變化的過程。AM調制中,調制系數(shù)Ma是指調制信號與載波信號幅度比,可根據(jù)式(5)計算。A、B分別表示波形垂直方向上的最大和最小長度
電路實現(xiàn)采用模擬乘法器集成芯片AD835,載波信號由AD9850模塊產生送給AD835的Y1端,調制信號由TLC7528構成D/A轉換電路產生送給AD835的X1端,從AD835的W端口輸出得到。
3.3 2ASK/2PSK信號的實現(xiàn)
2ASK實現(xiàn)很簡單,通過改變電源控制字的0、1狀態(tài)實現(xiàn),即調制信號為高電平時,W0為0x00;低電平時,W0信號為0x04。
2PSK調制是通過改變相位控制字實現(xiàn)的。W0的高5位是相位控制字,使W0的最高位(Phase-b4)為1,則相位為π,即調制信號為高電平時,W0為0x00;低電平時,W0為0x80。
2ASK調制和2PSK調制在T0中斷中實現(xiàn)。設定不同按鍵控制AD9850模塊輸出2ASK波、2PSK波和退出中斷。
3.4 FM信號的實現(xiàn)
FM調制是一種使載波頻率按照調制信號改變的調制方式。采用間接調頻法,先積分再調相實現(xiàn)調頻,其優(yōu)點是提高了中心頻率的穩(wěn)定度。按照要求的頻偏值間接調頻公式為
fre+(table[i]/127-0.5)xfc (6)
其中,fre為載波信號頻率;fc為頻偏;table[i]是用于D/A轉換的64點電壓值中的一點。計算頻率值,再計算頻率控制字通過單片機并口送入AD9850實現(xiàn)對頻率的控制,即實現(xiàn)FM調制。
4 軟件設計
4.1 系統(tǒng)主程序
在系統(tǒng)設計過程中,對系統(tǒng)軟件采用模塊化設計方法。系統(tǒng)軟件由監(jiān)控軟件、鍵盤和顯示管理模塊、各功能模塊和數(shù)據(jù)模塊構成。
系統(tǒng)初始化包括對各個芯片的初始化。對AD9850初始化是向AD9850寫入設定的頻率/相位控制字,AD9850按設定狀態(tài)輸出所需頻率的波形,直到重新對這些控制位進行設定。初始化后,LCD將顯示歡迎界面和系統(tǒng)初始狀態(tài)。鍵盤管理模塊主要是識別命令、解釋命令,并獲得完成該命令的相應模塊入口,引導進入正常工作程序。系統(tǒng)軟件用C語言設計,相對于匯編語言,C語言對機器底層硬件操作較為方便,可讀性和可移植性較好。主程序流程圖如圖5所示。
4.2 AD9850子程序
AD9850的40位頻率/相位控制字,通過并行方式連續(xù)輸入5次,每次輸入8位,將40位頻率/相位控制字送入器件。在并行輸入方式下,單片機通過8位總線D0~D7將外部控制字裝載到AD9850的數(shù)據(jù)輸入寄存器,在WCLK的上升沿裝入第1 Byte,并將指針指向下一個輸入寄存器,連續(xù)5個WCLK的上升沿讀入5 Byte數(shù)據(jù)到輸入寄存器后,WCLK的邊沿就不再起作用。然后在FQ_UD上升沿到來時,將這40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝載到頻率/相位寄存器。這時,DDS的輸出頻率更新一次,同時將地址指針復位到第一個輸入寄存器,以等待下一次的控制字輸入,其工作時序如圖6所示。
單片機通過控制“數(shù)據(jù)鎖存器”和“控制鎖存器”來實現(xiàn)對AD9850模塊的控制,數(shù)據(jù)鎖存器打開時,控制鎖存器關閉,此時傳輸數(shù)據(jù);控制鎖存器打開時,數(shù)據(jù)鎖存器關閉,此時根據(jù)AD9850的時序對W_CLK、FQ_UD、RESET執(zhí)行相應的操作。AD9850模塊的子程序流程圖如圖7所示。
5 系統(tǒng)測試
5.1 正弦波/方波信號指標測試
經測試,系統(tǒng)可產生20 Hz~40 MHz的平滑正弦波,正弦波在20 Hz~40 MHz頻率范圍內的頻率誤差在±0.5%之內,輸出電壓最小能保持在0.3 V,最大能保持約在5 V,頻率最小步進可達1 Hz,波形穩(wěn)定,無失真。測試結果如圖8所示。
5.2 2ASK/2PSK測試
示波器觀察2PSK和2ASK波形,其中載波為固定頻率200 kHz,波形分別如圖10和圖11所示。
5.3 FM調制波指標測試
利用數(shù)字示波器測試FM性能,載波頻率為200 kHz,10 kHz/20 kHz二級調節(jié)的最大頻偏測試數(shù)據(jù)達到10 kHZ/20 kHz的頻偏,具體圖像如圖12和圖13所示。
5.4 AM調制波指標測試
示波器觀察AM信號。載波信號頻率為10 kHz,調制信號頻率為100 Hz。記錄每次已調信號的試驗結果,計算調制度。調制系數(shù)的測試及計算數(shù)據(jù)調幅波的調制度隨調制信號幅度變化線性較好,能夠實現(xiàn)10%~100%的調制度。圖14和圖15所示為載波頻率10 kHz,調制頻率100 Hz下的AM波,其中,圖14調制系數(shù)為95%,圖15調制系數(shù)為45%。
6 結束語
以芯片AD9850為頻率合成的核心,以單片機(89C52)為控制和數(shù)據(jù)處理核心,實現(xiàn)了正弦波、方波、調頻和調幅等常用波形的產生和輸出,結合鍵盤和顯示部分,實現(xiàn)了任意頻率值的選擇和顯示,構成了一個完整的實用的信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器能在10 Hz~20 MHz范圍內以任意頻率輸出,步進值可調,最小步進可達到1 Hz,幅度0.3~5 V;可在固定載波頻率下進行數(shù)字鍵控,產生2ASK/2PSK信號;實現(xiàn)了頻偏為10 kHz/20 kHz的調頻波;采用AD835乘法器,實現(xiàn)常規(guī)雙邊帶調幅。經系統(tǒng)測試和實驗數(shù)據(jù)的分析結果表明,該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、精度高、范圍寬等優(yōu)點。
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