基于DDS技术的全数控函数发生器.docx
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基于DDS技术的全数控函数发生器
【摘要】随着信息技术的发展，现代电子系统对波形发生器提出了更高的要求。
直接数字合成（DirectDigitalSynthesize，DDS）是一种重要的频率合成技术，具有分辨率高，频率变换快等优点。
利用键盘输入波形频率，存入单片机，通过单片机控制1602液晶，让1602液晶显示输入频率的大小。
再通过单片机控制AD9851，再经过AD9851内部的相位累加器、相位寄存器、正弦查询表、DAC转换器、内部低通滤波器，然后经外部低通滤波器后，可输出正弦波，或者接到高速比较器上，可输出方波。
【关键词】DDS；单片机；AD9851
【Abstract】Alongwiththeinformationtechnologydevelopment,themodernelectronsystemsetahigherrequesttotheprofilegenerator.Thedirectdigitalsynthesis（DirectDigitalSynthesize,DDS）isonekindofimportantfrequencysynthesistechnology,hastheresolutiontobehigh,frequencytransformationquickandsoonmerits.Usingthekeyboardentryprofilefrequency,storesthemonolithicintegratedcircuit,controls1602liquidcrystalsthroughthemonolithicintegratedcircuit,lets1602liquidcrystaldisplayinputfrequencythesize.AgaincontrolsAD9851,AD9851throughthemonolithicintegratedcircuitafterthephaseaccumulator,thephaseregister,thesinequestionnaire,theDACswitch,afterpassesthroughthelowpassfilter,mayoutputthesinewave,thenreceivesonthehighspeedcomparator,thenmayoutputthesquare-wave.
【Keyword】DDS;Entirenumericalcontrol;Monolithicintegratedcircuit;
目录
前言............................................................3
1．方案论证与分析.............................................3
1.1主机的论证与分析.........................................3
1.2DDS芯片的论证与分析.....................................3
1.3显示模块的论证与分析.....................................4
2．系统硬件设计...............................................4
2.1系统设计................................................4
2.2单元电路设计............................................5
2.2.1主机模块设计........................................5
2.2.2电源模块设计........................................5
2.2.3DDS信号产生模块设计................................5
2.2.4AD9851的控制字与控制时序...........................7
2.2.5DDS芯片输出频率....................................8
2.2.6实现与PC机控制电路设计.............................8
2.2.7键盘模块设计.......................................9
2.2.8显示模块设计.......................................10
2.2.9低通滤波器电路设计.................................10
2.2.10波形调制设计......................................11
3．系统软件设计..............................................11
3.1主程序..................................................11
3.2信号频率数字预置子程序...................................12
3.3键盘扫描子程序...........................................12
3.4液晶控制器操作流程.......................................13
4．系统测试..................................................13
4.1测试仪器..............................................13
4.2测试数据...............................................13
5．总结与体会..............................................14
6．参考文献.................................................14
附录.........................................................14
附一：
作品实物及测试图............................14
附二：
整机电路图.........................................16
附三：
PCB图..............................................18
前言
本设计采用DDS系统进行频率的直接数字控制。
直接数字频率合成是一种由一个高稳定度和准确度的标准参考频率源，产生千百万个具有同一频率稳定度和准确度的信号的技术，他具有模拟频率合成器难以比拟的优点，是简化和改善频率合成技术的有力工具。
主要优点有：
（1）频率转换快：
DDS频率转换时间短，一般在ns级；
（2）频率分辨率高;（3）频带宽；（4）相位可调接口简单。
DDS系统其输出信号波形类型可设置、其输出信号幅度与频率可数控、输出频率宽、波形失真小等要求，并通过单片机程序控制和处理AD9851的32位频率控制字，从而实现了信号幅度、频率等选项的全数字控制。
1、方案论证与分析
本题是基于DDS芯片AD9851的全数控函数信号发生器的设计与制作。
以DDS系统为核心部分。
根据要求，经讨论我组设计了以下几种方案并对各方案进行论证与分析：
1.1主机的论证与分析
方案一：
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，采用高密度、非易失性存储技术生产。
但AT98S51抗干扰性能弱，封装普遍较大，不适合小尺寸产品的设计，运行速度慢，复位电路的工作方式不好。
方案二:
选用STC89C52单片机，STC89C52片内含有8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和512字节的RAM数据存储器，以及256bytes的随机存取数据存储器（RAM）；完全兼容MCS-51，而且还新增了两级中断优先级，一个外中断，内置EEPROM（使用片内的EEPROM可完成数据读写实验），抗干扰性能较AT98S51强。
通过综合考虑后，我们选择方案二。
1.2DDS芯片的论证与分析
根据本题要求选用DDS芯片AD9851，此芯片性能高，频率控制字长度长达32位，最高晶振频率为180MHz，而且其输出无杂散动态范围都较高。
含有并行和串行两种控制接口方式，其内部含有一个内置高速比较器和一个6倍参考时钟倍乘器。
AD9851工作电压范围较宽，为2.7V~5.2V，且180MHz工作时的功耗为550mW，功耗低，再2.7V时仅为4mW.AD9851采用28脚表面贴装形式封装。
图1为DDS芯片图、实物图：
图1
1.3显示模块的论证与分析
方案一：
采用LED数码管显示，LED显示屏由发光二极管排列组成显示器件，采用低电压扫描驱动，有成本低、亮度高、故障少等特点；但其显示需要专门的驱动芯片,增加了硬件电路的复杂程度，占用资源较多且信息量小。
方案二：
采用1602液晶显示，此液晶可每行显示16个字符，一共可显示两行。
1602液晶的工作电流比LED小几个数量级，厚度约为LED的1/3，外围电路简单；液晶体积小、功耗低、显示操作简单、字迹清晰、寿命长，编程容易，而且占用单片机资源少，比数码管方便的多。
基于上述比较，在此电路设计中我们采用方案二。
2、系统硬件设计
本系统设计选择方案二由单片机STC89C52、DDS直接频率信号合成器AD9851、及其他外围电路组成。
2.1系统设计
DDS芯片的选择对于方案性能十分关键,除了要考虑其输出带宽外还要从整个系统的角度出发进行选择。
AD公司的芯片一般都具有集成DAC和相位累加器的特点。
内部集成DAC的方案可以使得整个系统的设计变得极为简便,而且也有很好的性能。
在本方案中,采用AD9851作为DDS的核心芯片,应用单片机作为主处理器，主要实现正弦波和方波的输出。
虽然AD9851自身带有一个低通滤波器，信号经低通滤波器输出产生正弦波。
但其输出波形失真度较大，达不到要求，所以在外围电路中，再添加了一个低通滤波器，输出波形失真度相对不接来说要小得多。
图2总体设计框图
2.2单元电路设计
2.2.1主机模块设计
主机选用STC公司的STC89C52单片机，它有2个外部双向输入/输出（I/O）
端口，3个16位编程定时器，8个中断源，4个优先级；完全兼容MCU-51单片机,具有体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性
高，灵活性好和低电压供电机，软件编程灵活、自由度大的特点,如下图所示：
图3单片机最小系统
2.2.2电源模块设计
图4电源电路
2.2.3DDS信号产生模块设计
AD9851功能介绍
AD9851具有功耗低、接口简单、频带宽、频率分辨率高等众多优点,其主要特性如下:
（1）低功耗,在180MHz系统时钟下,功率为555mW.电源设置有休眠状态,在该状态下,功率为4mW;
（2）接口简单,可用8位并行口或串行口直接输入频率、相位控制数据；
（3）频带宽，正常输出工作频率范围为0～72MHz；
（4）频率分辨率高，其创新式高速DDS码可接收32位调频字，使得它在
180MHz系统时钟下输出频率的精度可达0.04Hz；
（5）内含6倍参考时钟倍乘器，可避免对外部高速参考时钟振荡器的需要，减小了由于外部频率源过高而可能产生的相位噪声；
（6）相位可调，可接收来自单片机的5位相位控制字；
（7）单电源工作（+2.7V～+5.25V）；
（8）工作温度范围：
-45℃～85℃。
AD9851引脚排列如下图：
图5AD9851引脚排列
AD9851在进行频率控制时,首先送入相位调制码、功率调节码、输入模式控制码,然后送入32bit频率控制码。
AD9851包含40为频率和相位控制字，其中32位用频率控制，五位用于相位控制，2位用于工作方式选择，一位用于掉电（powerdown）控制。
这40位控制字可通过并行或串行方式送入器件。
在一个精确的时钟源的控制下，它可以产生个频谱较纯、频率和相位可编程的模拟正弦波。
该正弦波可以被直接用作信号源，也可以通过AD9851内部的比较器转换为方波输出。
AD9851的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表，查找表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动10bit的ＤＡ变换器，输出两个互补的电流，其幅度可通过外接电阻进行调节。
AD9851还包括一个高速比较器，将DA变换器的输出经外部低通滤波器后接到此高速比较器上即可产生一个抖动很小的方波，这使得AD9851可以方便地用时钟发生器。
此电路使AD9851的D0-D7端与单片机P1口相连，复位端与P2^0连接，当P2^0端输入低电平时，整个系统电路复位。
W-CLK和FQ-UD信号是用来控制输入数据的地址和加载控制字的，分别接单片机P2^1和P2^2。
图6AD9851结构框图
2.2.4AD9851的控制字与控制时序
AD9851有40为控制字。
这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD9851，图7是控制字并行输入的控制时序图，在并行装入方式中，通过8位总线D0~D7将数据输入到寄存器，再重复5次之后再在FQ-UD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率或相位数据寄存器（更新DDS输出频率和相位），同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。
接着在W-CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W-CLK上升沿后，W-CLK的边沿就不再起作用，直到复位信号FQ-UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。
图7控制字并行输入的时序图
在串行方式中，W-CLK上升沿把25脚的一位数据串行移入，当移动40位后，用一个FQ-UD脉冲即可更新输出频率和相位。
图8是控制字串行输入的控制字时序图。
本设计采用跳帽P2来控制输入方式，此跳帽两端分别接P1^0和P1^1。
若连接，则为串行方式输入，若不接，则为并行方式。
图8控制字串行输入的时序图
采用跳帽选择输出波形的类型，连接P3的1、2脚输出一路方波，连接3、4脚输出正弦波，连接5、6脚输出二路方波。
引脚连接如下图所示：
图9时序选择
2.2.5DDS芯片输出频率
基本的DDS芯片，主频fMCLK=1MHz，频率字FREQREG=1，同步加法器的位数为8，则同步加法器相当于进行0～255（0x00～0xFF）的计数过程，该过程循环重复，其循环频率为fMCLK/256。
若ROM存储有正弦波数据，则经过D/A转换和LPF滤波后，输出频率为fMCLK/256的正弦波信号；当频率字FREQREG=2，则同步加法器相当于进行步长为2的0～255（0x00～0xFF）的累加过程，该过程的频
率为2×fMCLK/256，也就是输出频率为2×fMCLK/256的正弦波信号。
由此类推，基本型DDS芯片的输出频率为：
f0=fMCLK/28×FREQREG
（1）
频率控制字FSW与输出信号频率fout和系统时钟频率fc之间满足如下关系:
FSW=（2N·fout）/fc
其中:
N=32,AD9851为相位全加器位数。
对于基本型DDS芯片，一般，主频fMCLK通过晶体振荡电路产生，相对固定，因此DDS的输出频率取决于频率字，频率字一般通过串行或并行接口进行设置。
DDS芯片的输出频率的变化间隔（分辨率）为fMCLK/28（当同步加法器的位数是8时）。
输出频率的稳定度主要取决于晶体振荡的稳定度，输出波形则取决于ROM中的波形数据，根据奈奎斯特定理，最高输出频率小于fMCLK/2。
2.2.6实现与PC机控制电路设计
本模块采用DB25并口与电脑连接及74ls245芯片实现数据的传输。
74ls245具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。
*当STC89C52单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。
*当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由B向A传输；（接收）
*DIR=“1”，信号由A向B传输；（发送）当/CE为高电平时，A、B均为高阻态。
74ls245引脚排列如下图：
图10（a）74ls245引脚排列
由于此设计中单片机负载能力超过它能承受的最大能力，故采用两片74ls245减轻单片机的负载.
图10（b）74ls245连接图
2.2.7键盘模块设计
按键采用软件查询的方法设计，与单片机P3口连接，且低电平有效。
若某键为低电平，则执行相应的功能程序，并用液晶显示器显示出来。
键盘硬件电路如图11所示，
图11键盘电路
2.2.8显示模块设计
液晶显示器全部使用软件进行静态显示，减少了外部锁存器和译码模块的需要，使电路简单化.显示采用液晶显示器1602LCD显示方式,显示内容有频率、频率的增减量,更形象地观察频率的变化值。
电阻R3可调节液晶显示对比度。
液晶显示器LCD与单片机连接的电路如图12：
图12显示电路图
2.2.9低通滤波器电路设计
一个理想的滤波器应在要求的频带内具有均匀而稳定的增益,而在通带以外则具有无穷大的衰减.然而实际的滤波器距此有一定的差异,为此人们采用各种函数来逼近理想滤波器的频率特性.用运算放大器和RC网络组成的有源滤波器具有许多独特的优点.因为不用电感元件,所以免除了电感所固有的非线性特性、磁场屏蔽、损耗、体积和重量过大等缺点.由于运算放大器的增益和输入阻抗高,输出阻抗低,所以能提供一定的信号增益和缓冲作用.
在DDS芯片的正弦信号输出端增加一个二阶RC有源低通滤波器，可以有效地抑制谐波和杂散。
该滤波器的组成如图13所示，其中，R1、R2完成电流信号到电压信号的转换。
图13（ａ）低通滤波电路
图13（ｂ）低通滤波器的特性曲线
2.2.10波形调制设计
为了得到不同的方波，设计了可调电位器R15，如图14（a）所示，给AD9851的比较器基准端提供基准电位，调节该电阻可以调节输出方波的占空比。
R5可调节正弦波的幅度，其接法如图14（b）所示。
图a图b
图14外界产生基准电流电阻
3、系统软件设计
3.1主程序
主程序可控制整个系统，包括控制系统的初始化、显示、运算、键盘扫描、频率控制、幅度控制等子程序，其主程序流程如下图15所示。
图15主程序流程图
AD9851初始化就是DDS器件的复位,复位后除输入寄存器以外的寄存器清零，输出变成高阻，复位脉冲的高电平至少保持5个时钟周期。
逻辑控制字定义是否相位调制、低功耗选择和置数模式。
开启6倍参考时钟倍乘器，关闭电源休眠功能，相位调制为0情况下的逻辑控制字为：
W39～W32=00000。
频率控制字由公式计算得出
（1）计算得到。
3.2信号频率数字预置子程序
信号频率的数字控制程序流程如图16所示。
该部分程序主要用于将键盘输入值转换成十六进制数据，然后产生相应的频率控制字并送至DDS芯片，以改变DDS的相位增量，最终输出相应频率信号。
图16信号频率数字预置程序流程
3.3扫描子程序
因按键较多。
本系统采用矩阵键盘，而矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此在检测时需人为通过单片机I/O口送出低电平。
故检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平，然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，如果没有，说明没有按键被按下，系统则退出键盘扫描程序，若有，则判断键号，键号确定后再转到键号相对应的功能程序去执行。
用同样方法轮流送各列一次低电平在轮流检测一次各行是否变为低电平，这样便可检测完所有的键盘。
键盘主要方便用户设置频率、幅度、选择工作方式等功能。
键盘扫描子程序如图17所示
图17键盘扫描子程序流程图
３.４ 液晶控制器操作流程
初始化结束后，执行显示内容（频率、幅度、波形等）。
在此过程中，执行每条指令前先检查标志（ＢＦ），只有当空闲时，才能执行下一条指令。
程序流程图如下图所示：
图18液晶控制程序流程
4.系统测试
4.1测试仪器
数字万用表、Tektronix示波器
4.2数据测试
输入频率（Hz）
实际输出
频率（Hz）
输入频率（Hz）
实际输出
频率（Hz）
180
179.9
360
360.4
0
200.0
380
379.9
220
219.8
400
400.0
240
239.8
420
420.2
260
173.9
440
354.1
280
193.8
460
374.2
300
214.1
480
394.4
320
234.2
500
414.1
340
247.5
520
519.2
分析：
经过不断的测试和记录，发现每隔大约85.833Hz，输出波形的
频率就跳到当前的频率减去大约85.833Hz时的频率，是有规律的，具体
原因需进一步检测。
5、总结与体会
DDS具有相对带宽很宽,频率转换时间极短,频率分辨率很高等优点。
另外,全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度均可实现程控。
通过样机的测试结果,证明本信号发生器达到了预期的设计要求,其性能指标明显优于传统的函数发生器。
根据实际需要还可在正弦波、方波的基础上，接外围积分电路，可产生方波，或其他接电路产生别的波形，频率步进小，方便控制。
6、参考文献
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电子工业出版社，2008年；
（2）《模拟电子线路基础》，吴运昌著，广州：
华南理工大学出版社，2004年；
（3）《数字电子技术基础》，阎石著，北京：
高等教育出版社，1997年;
（4）肖汉波，一种基于DDS芯片ad9850的信号源[J]，
中国工程物理研究院电子工程研究所，2002；
（5）肖国玲，潘建，王波，一种基于DDS芯片AD9850的信号发生器[J]，
无锡职业技术学院学报，2007；
（6）高卫东，尹学忠，储飞黄，AD9850DDS芯片信号源的研制[J]，
电子工程学院测试中心，1999；
（7）占细雄,林君,胡安,基于9850的8位幅度可编程信号发生器[J],林大学智能仪器与测控技术研究所,2002;
附录
附一：
作品实物图
附二：
整机电路图
附三：
PCB图
.
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