2023年微型DDS信号发生器[1].doc

微行DDS信号发生器 ： 本文主要介绍的是微型的DDS信号发生器的原理和设计，整个系统是以AT89S51为控制，外部ROM为存储，AD9850芯片和温度补偿晶体振荡器构成的微型DDS信号发生器，采用DM-162点阵液晶显示模块作为显示器。该软件系统采用4x4键盘操作，以菜单形式进行显示，操作方便简单，软件增加了许多功能。它通过启动DDS后，把内存缓存区的数据读出送到DDS后输出相应的频率，并把数据转换为BCD码，送到液晶显示器进行显示。该系统体积小、稳定度、精度极高，方便携带适用于野外测试精密仪器。 创新之处： 1． 采用是当代最先进的直接数字频率合成〔DDS〕技术为主，以高精度、稳定度的温度补偿晶体振荡器为基准。具有当代最高的精度、稳定度，频率分辨率可达1HZ。 2． 采用低功耗DM-162液晶显示模块。 3． 具有多个频道的存储、掉电存储断电记忆功能。 4． 具有超频率、超频道的自动查错功能。 5． 软件上采用菜单式，全部键盘控制方式。 6． 支持在线擦除，随时升级程序。 7． 体积极小，可用于野外测试。 关键词：直接数字频率合成〔DDS〕、AD9850、温度补偿晶体振荡器 引言 直接数字频率合成器〔Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS或DDFS〕问世之初，构成ＤＤＳ元器件的速度的限制和数字化引起的噪声这两个主要缺点阻碍了ＤＤＳ的开展与实际应用。近几年超高速数字电路的开展以及对ＤＤＳ的深入研究，ＤＤＳ的最高工作频率以及噪声性能已接近并到达锁相频率合成器相当的水平。随着微电子技术的迅速开展，直接数字频率合成器得到了飞速的开展，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。现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。 工作原理： 给整个系统上电后,单片机启动DDS、对LCD进行初始化，预置完毕后向单片机发出一应答.接着单片机读取存储芯片中作为系统缓存器的数据，送到LCD显示，把LCD显示的内容转换为DDS的频率数据，然后送给已经启动DDS芯片，输出相应的频率。然后进入键盘扫描程序，判断键盘按下，如有效键按下单片机那么执行送显示等。然后返回键盘扫描程序处于等候状态。总体框图如以下列图1。 LCD显示 4x4键盘 MCU AD9850 温度补偿 LPF Fout 图1 直接数字频率合成 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2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拟得到方波时钟信号。 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开展，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〔AD9851在3.3v时功耗为480mW〕，功能增加了，价格廉价。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。 基准时钟 相位累加器 相位/幅度变换 D/A变换 低通滤波 比拟器 M fo 图2 ＤＤＳ根本原理及性能特点 　　ＤＤＳ的根本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。ＤＤＳ的结构有很多种，其根本的电路原理可用图3来表示。 相位累加器 波形存储器 D/A转换器 低通滤波器 K fS fo 图3 相位累加器由Ｎ位加法器与Ｎ位累加存放器级联构成。每来一个时钟脉冲ｆｓ，加法器将频率控制字ｋ与累加存放器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加存放器的数据输入端。累加存放器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反响到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是ＤＤＳ输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器〔ＲＯＭ〕的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值〔二进制编码〕经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到Ｄ／Ａ转换器，Ｄ／Ａ转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯洁的正弦波信号。 ＤＤＳ在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能到达的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。 〔１〕输出频率相对带宽较宽 　　输出频率带宽为５０％ｆs〔理论值〕。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能到达４０％ｆs。  〔２〕频率转换时间短 　　ＤＤＳ是一个开环系统，无任何反响环节，这种结构使得ＤＤＳ的频率转换时间极短。事实上，在ＤＤＳ的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。ＤＤＳ的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。  〔３〕频率分辨率极高 　　假设时钟ｆs的频率不变，ＤＤＳ的频率分辨率就由相位累加器的位数Ｎ决定。只要增加相位累加器的位数Ｎ即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数ＤＤＳ的分辨率在１Ｈｚ数量级，许多小于１ｍＨｚ甚至更小。  〔４〕相位变化连续 　　改变ＤＤＳ输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 〔５〕输出波形的灵活性 　　只要在ＤＤＳ内部加上相应控制如调频控制ＦＭ、调相控制ＰＭ和调幅控制ＡＭ，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＡＳＫ和ＭＳＫ等信号。另外，只要在ＤＤＳ的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当ＤＤＳ的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 〔６〕其他优点 　　由于ＤＤＳ中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 采用AD9850的DDS ＡＤ９８５０是ＡＤ公司采用先进的ＤＤＳ技术，１９９６年推出的高集成度ＤＤＳ频率合成器，它内部包括可编程ＤＤＳ系统、高性能ＤＡＣ及高速比拟器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，ＡＤ９８５０可产生一个频谱纯洁、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。ＡＤ９８５０接口控制简单，可以用８位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。３２位频率控制字，在１２５ＭＨｚ时钟下，输出频率分辨率达０．０２９Ｈｚ。先进的ＣＭＯＳ工艺使ＡＤ９８５０不仅性能指标一流，而且功耗少，在３．３Ｖ供电时，功耗仅为１５５ｍＷ。扩展工业级温度范围为－４０～＋８５摄氏度，其封装是２８引脚的ＳＳＯＰ外表封装。AD9851内部方框图〔如图4〕 ＡＤ９８５０采用３２位相位累加器，截断成１４位，输入正弦查询表，查询表输出截断成１０位，输入到ＤＡＣ。ＤＡＣ输出两个互补的模拟电流，接到滤波器上。调节ＤＡＣ满量程输出电流，需外接一个电阻Ｒｓｅｔ，其调节关系是Ｉset＝３２〔１．２４８Ｖ／Ｒｓｅｔ〕，满量程电流为１０～２０ｍＡ。 图4 AD9850的引脚功能： 　　AD9850是28脚SOP外表封装，体积小，易用于便携仪器。其引脚排列如图5所示，功能如下： 〔1〕D0-D7，控制字并行输入端，其中D7可作为串行输入； 〔2〕DGND，数字地； 〔3〕DVDD，为内部数字电路提供电源； 〔4〕WCLK，控制字装入时钟； 〔5〕FQUD，频率更新控制； 〔6〕CLK，输入时钟； 〔7〕AGND，模拟地； 〔8〕AVDD，为内部模拟电路提供电源，可与数字电源共用； 〔9〕RSET，DAC外接电阻； 〔10〕QOUT，QB，内部比拟器输出端； 〔11〕VINN，VINP，内部比拟器输入端； 图5 〔12〕DACBL，内部DAC外接参考电压端，可空； 〔13〕IB，IOUT，DAC输出端； 〔14〕RES，复位端。 AD9850在本系统的应用电路 DDS的基准信号源决定于整个系统输出的精确度和稳定度，所以在本系统中采用了12.8MHz的温度补偿晶体振荡器作为DDS的基准信号源，温度补偿晶体不随温度的改变而改变，而且精度和稳定度是非常高，抗干扰也是比拟好。使得整个系统输出的频率是那么的精确稳定。由于AD9850是贴片式的体积非常小，引脚排列比拟密，焊接时必须小心，还要防静电击穿，焊接不好就很容易把芯片给烧坏。还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。所以在AD9850外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护电路。为了不受外界干扰，添加了不少的滤波电路，显得整个电路更完美。详细电路图如图6。 图6 低通滤波器〔LPF〕 为了使输出的频率不受外界和一些杂波的干扰，所以选用了4阶的π型LC低通滤波器，其动态范围宽达0～35MHZ,增益高，35MHZ时衰减2.4DB，采用RFSim99对LPF进行仿真图如图8。输入、输出阻抗为50Ω。原理图如图7。