基于AD9850的正交信号源的设计*

潘 凯 ，朱名日 ，姚 鑫 ，刘文彬 ，郑丹平 ，周光祥

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院，广西 桂林 541004;2.桂林电子科技大学 北海职业技术学院，广西 北海536000;3.桂林电子科技大学 计算机与控制学院，广西 桂林541004)

正交信号在信号检测和处理中应用广泛[1]，设计一种能够产生频率高、稳定性好的正交信号源十分重要，本文提出了一种可以产生正弦、余弦波作为正交信号的方法，该方法采用DDS技术，利用单片机控制两片AD9850来产生频率、幅值均可调的正交信号,可以产生100 Hz～40 MHz的正弦正交信号和方波正交信号。与传统的方法相比，该方法具有分辨率高、频带宽、成本低、功耗低以及转换时间短等优点。系统由硬件部分以及软件部分组成，经过调试，系统可行，稳定可靠。

1 AD9850工作原理

AD9850是美国ADI公司的一款DDS芯片，它的最高时钟为125 MHz，主要由可编程 DDS系统、高性能模/数变换器(DAC)和高速比较器3个部分构成，可以实现全数字编程控制的频率合成[2]，其原理框图如图1所示。正弦查找表由一个ROM构成，在它内部存有一个完整周期正弦波的数字幅度信息，每当来一个时钟，相位寄存器以一个△phase递增，其输出与相位控制字相加后作为正弦查找表的地址，查找表把地址信息映射成正弦波的数字幅度信息并输出,输出信号经过DAC后输出模拟信号，模拟信号再经过低通滤波器,生成正弦信号[3]。

图1 AD9850工作原理图

输出的信号频率：

其中,△phase是频率控制字的值；fclk是系统的输入时钟；fout是输出信号频率。

2 系统构成

通过上述的描述可知，利用AD9850可以产生初始相位和频率均可控的信号。本设计利用单片机同时控制两片AD9850，在同一时间分别向两片AD9850写入相差90°的相位值，即可输出一组正交信号。系统框图如图2所示。

按键部分根据设计需要设置了一个键盘，由单片机来控制键盘输入频率的输入，通过与AD9850芯片通信产生正交信号,并在LCD1602上显示频率值。其中，按键分别定义为频率确认键、频率增键、频率减键以及频率单位切换键。系统通电后，通过频率单位切换键、频率增键以及频率减键，可以根据需要对所需信号的频率进行选取,单位可在Hz、kHz和MHz之间切换，频率的范围可在100 Hz～40 MHz之间随意选取。

单片机通过并行方式与两片AD9850通信，控制两片AD9850的正弦波形的输出频率，通过调整输出电流的大小来改变输出波形的幅值。正弦信号通过椭圆低通滤波器可以滤除噪音信号。

2.1 系统硬件设计

如图3所示，系统的主控芯片采用80C51单片机，采用并行控制来控制两片AD9850，单片机的P2口与两片 AD9850的数 据端 口 相 连 ，P3.0、P3.1、P3.2分 别 接AD9850-1的 FQ_UD、W_CLK、 RESET， P3.3、P3.4、P3.5分别接 AD9850-2的 W_CLK、FQ_UD、RESET。

AD9850-1的输出接入椭圆低通滤波器后输出正弦信号fout1，fout1与fout2构成一组正弦正交信号。同时，将经过低通滤波器后的信号接到VINP，经过芯片本身内置的高速比较器后,可以输出方波信号fout3，fout3与fout4构成一组方波正交信号。

图2 系统构成图

图3 系统硬件连接图

在直接数字频率合成器中，低通滤波器是重要的组成部分，低通滤波器可以滤除信号的高频信号，只通过低频有用信号就能达到信号除杂的目的[4]。通过仿真，五阶椭圆低通滤波器能够平滑信号，并且能有效抑制DDS的输出杂散，因此选用五阶椭圆低通滤波器。电路图如图4所示。

图4 椭圆低通滤波器

信号幅值大小的调整靠旋转滑动变阻器实现，AD9850的RSET引脚通过滑动电阻接地，通过可调电阻可以调节AD9850信号输出端的电流，因此改变内阻的分压，实现了调节幅值的目的,如图3所示。

2.2 系统软件设计

系统的软件设计主要分为对按键的处理部分和对两片AD9850频率控制字的写入部分，系统流程图如图5所示。系统设置了4个按键，分别为频率增键、频率减键、频率单位切换键以及频率确认键。频率增减键分别控制频率的增加和减小，频率单位切换键可以使频率的单位在1 Hz、100 Hz、1 kHz、1 MHz中自由选择，频率确认键的功能是将系统计算后的频率控制字信号通过并行方式同时写入两片AD9850中。

图5 系统流程图

系统通过并行方式将频率控制字同时写入两片AD9850中，AD9850包含 40 bit频率控制字，其中 5 bit用于相位控制，32 bit用于频率控制，1 bit用于电源休眠控制，2 bit用于选择工作方式[5]。软件部分主要对用于频率控制的32bit控制字进行计算，并写入AD9850。系统采用并行控制，速度较快，通过连续输入5次、每次输入8 bit的方式进行控制。32bit频率控制字的计算公式如下：

其中,fsw为频率控制字，f0为设定的频率值[6]。频率控制字写入的程序如下：

3 系统实验

为了测试系统系统是否运行正常以及能否产生稳定的正弦正交信号和方波正交信号，系统设计完成后，用示波器进行了测试。测试结果显示，该激励源可以产生100 Hz～40 MHz的正弦正交信号和方波正交信号，步进值可以通过按键在 1 Hz、100 Hz、1 kHz、1 MHz中可选，幅度值可通过滑动电阻器在0～5 V范围内调节，系统输出频率值稳定，无明显失真，可以做为激励源使用。系统测试数据如表1所示。

该系统可以输出稳定的正交信号，可以作为一般信号检测和处理的正交信号激励源，产生不同频率、不同幅值的正弦正交信号以及方波正交信号，系统稳定，具有很好的应用价值。

本文结合AD9850的特点，用单片机以并行方式同时控制两片AD9850,比较容易地实现了能够产生正弦正交信号和方波正交信号的高频激励信号源。与其他方法相比，该信号源具有快速、稳定、产生频率高的优点。

表1 实验数据

[1]熊国海,郑东,周亦山.正交信号发生器的设计[J].电气自 动 化,2009(2)：73-74.

[2]严新忠,郭略,杨静,等.基于 AD9850的可编程信号发生器的设计[J].计算机测量与控制,2006,14(9)：1272-1274.

[3]郭永彩,张春荣,高潮.基于 DDS技术 AD9850的激励信号源设计[J].微计算机信息,2012,28(1)：12-14.

[4]吴海超,邢斯瑞.基于 AD9850的嵌入式信号源设计与实现[J].现代电子技术,2009,32(16)：47-50.

[5]王春梅.虚拟数字频率合成扫频仪的应用研究[J].计算机应用与软件,2013,30(4)：330-333.

[6]冯月芹.基于AD9850与DDS的电平振荡器的信号源的研制[J].国外电子测量技术,2008,27(3)：40-42.