應用DDS芯片AD9835開發(fā)的一種高精度頻率信號發(fā)生器

摘要：介紹了一種DDS專用芯片AD9835，并利用該芯片設計了一種高精度頻率信號發(fā)生器，討論了DDS芯片的基本原理、應用及其與計算機、單片機的接口。并對實際結果進行了分析。

關鍵詞：頻率合成DDS 信號源 調制

高精度測量往往需采用高精度、高穩(wěn)定性、高分辨率的頻率信號源。采用多個鎖相環(huán)構成的頻率合成器，電路復雜、價格昂貴，且信號建立時間長、動態(tài)特性較差。近年來發(fā)展起來的直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）采用高速數(shù)字電路和高速D/A轉換技術，具有以往頻率合成器難以達到的優(yōu)點，如頻率轉換時間短（20ns）、頻率分辨率高（0.01Hz）、頻率穩(wěn)定度高（10 -7至10 -8）、輸出信號頻率和相位可快速程控切換等，因此可以很容易地對信號實現(xiàn)全數(shù)字式調制。而且，由于DDS是數(shù)字化高密度集成電路產(chǎn)品，芯片體積小、或耗低，因此可以用DDS構成高性能頻率合成信號源而取代傳統(tǒng)頻率信號源產(chǎn)品。

我們采用Analog公司的AD9835 DDS專用芯片設計了一種由單片機及計算機控制的合成信號源，主要技術指標如下：

頻率范圍：0.1Hz～10MHz

頻率分辨率：0.1Hz

頻率穩(wěn)定度：1×10 -7

輸出幅度：0～±10V可調

輸出波形：正弦波、方波（TTL電平）、PSK、FSK、掃頻

本信號源有可以任意切換的兩種控制方法：一種是用PC機上的并口傳遞控制指令及參數(shù)，為此我們用VB編寫了Windows 9x操作系統(tǒng)下的控制界面，通過該程序可以非常容易地設定各種控制參數(shù)；另一種是用單片機控制，通過面板按鈕設定參數(shù)和選擇功能菜單，便于野外脫機使用。

1 DDS工作原理

1.1 DDS技術

AD9835中使用的DDS技術是從連續(xù)信號的相位φ出發(fā)，將一個余弦信號取樣、量化、編碼，形成一個余弦函數(shù)表儲存在ROM中。合成時改變相位增量，由于相位增量不同，一個周期內的取樣點數(shù)也不同，這樣產(chǎn)生的正弦信號頻率也就不同，從而達到頻率合成的效果。

在這里，余弦波信號本身是非線性的，而其相位是線性的（如圖1所示）。因此，每隔一段時間Δt（時鐘周期），相對應的相位變化ΔP，即

ΔP=ωΔt=2πfΔt (1)

從（1）式可得合成信號的頻率f為：

f=(ΔP×fmc)/2π (2)

式中，fmc為固定時鐘頻率，fmc=1/Δt，通過改變相位值ΔP就可以改變合成信號的頻率f。

DDS芯片AD9835原理框圖如圖2所示。其中，相位累加器為32位，取其高12位作為讀取余弦波形存儲器的地睛。每一次，時鐘使相位累加器的輸出也即余弦ROM尋址地址遞增頻率設定數(shù)據(jù)K，對應的波形相位變化為：

ΔP=2πK/2 32 (3)

因此，改變相位累加器設定值K，就可以改變相位值ΔP，從而改變合成信號頻率f。經(jīng)簡化，合成信號頻率由下式?jīng)Q定：

f=K·fmc/2 32 （4）

式中，fmc=50MHz，用高穩(wěn)定度晶體振蕩器獲得。K值在1K2 31之間。最低頻率為fmin=fmc2 32，本例為0.0116Hz，這也是本例的頻率分辨率；根據(jù)Nyquist采樣定律，重建信號頻率最高可達fmc/2，但通常取最高頻率為fmax=fmc/3。

1.2 AD9835芯片內部結構

AD9835內部結構框圖如圖3所示。它有一個32位相位累加器，兩個32位頻率寄存器F0和F1（用于設定K值），四個12位相位寄存器P0、P1、P2、P3。程控切換F0、F1時，可實現(xiàn)FSK和掃頻功能；程控切換P0、P1、P2、P3時，可實現(xiàn)相位PSK調制。余弦函數(shù)表儲存在ROM中。

32位相位累加器的輸出值截取高12位后與12位相位寄存器Pi值相加，構成12位的相位地址，去尋址余弦ROM表。尋址得到的幅度值經(jīng)10位的高速D/A轉換后成為合成余弦信號。輸出信號S對所有DAC輸出噪聲N之比SNR主要與D/A的位數(shù)有關，即與數(shù)字量化噪聲有關。理論分析可知10位D/A的SNR可達60.2dB，AD公司資料給出的AD9835實際SNR優(yōu)于50dB。輸出信號總諧波分量畸變量與兩主號頻率之比m=fmc/f有，m值越大，諧波畸變越小；m值較小時，諧波畸變較大。為消除m較小的諧波畸變，輸出端采用LC高階低通濾波器濾除高次諧波。本例中使用的是5階Butterworth低通濾波器，可以將50MHz以上的高次諧波降低至-60dB，完全滿足高精度信號源的要求。

圖3中引腳FSELECT、PSEL0、PSEL1是外加調制信號，可用于對DDS進行直接位控調制，實現(xiàn)數(shù)字二值調頻（FSK）和數(shù)字四值調相（PSK）。引腳FSYNC、SCLK、SDATA用來對DDS進行程控工作模式設定。數(shù)據(jù)傳輸方式為同步串行方式。圖3中，AD9835可以設定為SLEEP、RESET工作方式，在SLEEP工作方式下，功耗僅為1.75mW。

2 DDS信號源設計

2.1 信號源框圖

圖4為系統(tǒng)框圖。開關SW切向上方時，信號源由單片機控制，工作模式、頻率和相位參數(shù)由鍵盤設定，采用8位LED數(shù)碼管顯示，頻率分辨率為0.1Hz，可以實現(xiàn)點頻、掃頻、PSK、FSK四種工作模式。開關SW切向下端時，則由PC機通過計算機并口進行程控，工作模式與單片機控制時相同。為保證0～10MHz的信號輸出頻帶，濾波器采用無源LC 5階濾波器。AD9835的D/A輸出僅1.2V左右，信號經(jīng)兩級寬帶高速運放放大近20倍后輸出。要滿足大信號10V幅度輸出時無失真，末級放大器的擺率應滿足S≥ωVm。在10MHz時，經(jīng)計算，S≥600V/μs。

2.2 控制程序

無論是在PC機上用VB編程，還是在單片機上用匯編語言編程，主程序框圖基本一致，如圖5所示。在圖5中，“初始化”是指對AD9835定入控制字，包括設置SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC等位，還要選擇在以后的調制中使用管腳還是串行控制位來控制AD9835。一旦設定后，AD9835將保持設定狀態(tài)不變，直到重新進行設置。

由于AD9835控制參數(shù)要求以同步串行方式輸入，因此用PC機控制的時候，采用PC機并口輸出的辦法。用并口數(shù)據(jù)位線分別模擬幀同步FSYNC、同步時鐘SCLK和串行數(shù)據(jù)SDATA，按參數(shù)要求將其串行化后裝配成并行數(shù)據(jù)從并行口輸出。另外，由于VB本身不具有口讀寫功能，因此需要用其他語言編寫口讀寫功能函數(shù)后用動態(tài)鏈接庫。DLL的形式調用，以實現(xiàn)口輸出。本程序也可以和虛擬儀器組合使用，構成虛擬儀器界面的數(shù)字頻率信號發(fā)生器。

2.3 實測結果

本儀器設計完成后已投入使用，各項指標達到設計要求。從測量情況來看，DDS頻率合成器的頻率純度和穩(wěn)定度相當高。圖6為合成器輸出頻率2MHz時的實測頻譜圖，圖中縱向每分度為20dB，可見一次倍頻幅度衰減約為-45dB。

圖7為PSK相位跳變時的波形實測圖，相位跳變值為90度，從波形可以看出，相位跳變的瞬時性和準確度非常好?？梢跃_控制相位是DDS的一個突出優(yōu)點，也是其它頻率合成手段難以達到的。

圖8為合成器輸出頻率從頻率寄存器F0跳變到F1時的瞬態(tài)波形，波形銜接得非常好，中間沒有控制失調的過渡帶出現(xiàn)，這也是DDS的突出特點。圖9為FSK調制波形。

DDS合成信號源具有高穩(wěn)定性、高精度、高分辨率、高速建立信號等突出優(yōu)點，是信號源發(fā)展的方向，在電子對抗、通訊與測量等許多方面都有重大的應用價值。用DDS與PLD等芯片組合集成的專用ASIC信號源芯片、微型程控式任意波形信號源專用芯片也即將問世，這將是信號源技術的一大革命。利用砷化鎵及其它高速材料和技術，可以使DDS頻率進一步向高端延伸，從而使其在軟件無線電方面具有重要的意義。