基于AD9850的多功能信号源设计

任艳玲

(江苏理工学院电信学院，江苏常州 213001)

直接数字合成技术(Direct Digital Synthesizer，DDS)是由一个参考频率源产生多种频率的技术，其采用数字信号控制的相位增量，具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成等优点。因此，得到了广泛的应用［1］。本文提出了以直接频率合成芯片AD9850为核心的多功能信号源的设计方案，给出了实现多种信号生成的具体方法。

1 直接数字频率合成原理及构成

AD9850是美国AD公司推出的高集成度频率合成器，内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，其由一个加法器和一个N位相位寄存器组成［2］。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，将相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端，累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是输出的信号频率。相位寄存器的输出与相位控制字相加后，可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表将输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC以输出模式量，实现正弦信号的合成。

频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为

其中，N是相位累加器的字长;M是频率控制字的字长;fC是晶振频率;fout是输出频率，从式(1)～式(3)可看出频率控制字与输出信号频率成正比关系。相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个较小的相位噪声。DAC分辨率一般比查询表长度小2～4位。通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为

接上精密时钟源并写入控制字后，AD9850就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。如果经过内部高速比较器转换后则可得到方波输出。一个基本的DDS结构，主要由参考时钟、相位累加器、相位调制器、ROM查找表、D/A转换器(DAC)和低通滤波器(LPF)构成，如图1所示。

图1 DDS基本结构原理图

2 多功能信号源的总体设计

2.1 系统总体设计框架

为实现多功能常用信号源的设计要求，选用AD9850为频率合成核心芯片，AD9850是一个运用先进的DDS技术，并结合集成在一片芯片内的高速、高性能的D/A转换电路和比较器构成一个完全数控的可编程频率合成器，且具有时钟产生功能的高度集成芯片。当有一个精确时钟源作为参考频率源时，AD9850能产生一个频谱很纯的频率或相位可编程的模拟正弦波输出。对于125 MHz参考时钟，AD9850能产生一个32位频率调整控制字，其导致一个0.029 1 Hz的输出调谐频率分辨率。另外，AD9850采用先进的 CMOS工艺，在3.3 V供电时其功耗仅为155 mW。

将单片机实现对DDS的控制与微机实现的控制相比，具有编程控制简便、接口简单、成本低、容易实现系统小型化等优点，因此采用STC89C52单片机作为系统控制芯片，主要功能是完成对外部信号的采样、运算、频率控制，键盘数据接收、数据传输等;矩阵键盘用于进行正弦波、方波频率参数设定;各个信号的输出选择，频偏、调制度的设定以及其他功能设置;按照指标要求可完成正弦波、方波、FM波、AM波、PM波的输出。系统总体框架如图2所示。

图2 系统结构框图

2.2 单片机与DDS芯片的连接方式

AD9850的40位频率/相位控制字可通过并行或串行两种方式送入器件。选用并行传输方式，充分发挥芯片AD9850的高速性能。在并行方式下连续输入5次数据，每次输入8位(1 Byte)，将40位频率/相位控制字送入器件。系统中，单片机通过数据锁存器和控制锁存器来实现对AD9850模块的控制，数据锁存器打开时，控制锁存器关闭，此时传输数据;控制锁存器打开时，数据锁存器关闭，此时根据AD9850的时序对W_CLK、FQ_UD、RESET执行相应的操作。单片机89C52控制AD9850工作连线图，如图3所示。

3 多功能信号源各个输出信号实现

3.1 正弦波信号的实现

图3 STC89C52与AD9850连接图

要得到所需要频率的信号，关键是计算该信号所对应的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为360/25=11.25，根据实际需要设置不同的相位控制字，便可实现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 和其的倍数精度来设置，例如选用11.25°，用二进制表示为00001，若相位控制为90°，则控制字为01000。40位控制字中频率控制占32位，频率控制字M可根据需要输出频率值经式(3)计算得出，再将所计算出的M通过单片机STC89C52并口写入芯片AD9850，AD9850根据控制字来设定相位累加器的步长大小［3］。AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。将波形存储器的输出送到D/A转换器，得到所需频率的正弦波信号［4－6］。

3.2 AM调制信号的实现

AM调制是调制信号控制高频正弦载波的幅度按照调制信号的规律变化的过程。AM调制中，调制系数Ma是指调制信号与载波信号幅度比，可根据式(5)计算。A、B分别表示波形垂直方向上的最大和最小长度

电路实现采用模拟乘法器集成芯片AD835，载波信号由AD9850模块产生送给AD835的Y1端，调制信号由TLC7528构成D/A转换电路产生送给AD835的X1端，从AD835的W端口输出得到。

图4 AM调制波形图

3.3 2ASK/2PSK信号的实现

2ASK实现很简单，通过改变电源控制字的0、1状态实现，即调制信号为高电平时，W0为0x00;低电平时，W0信号为0x04。

2PSK调制是通过改变相位控制字实现的。W0的高5位是相位控制字，使W0的最高位(Phase－b4)为1，则相位为π，即调制信号为高电平时，W0为0x00;低电平时，W0为0x80。

2ASK调制和2PSK调制在T0中断中实现。设定不同按键控制AD9850模块输出2ASK波、2PSK波和退出中断。

3.4 FM信号的实现

FM调制是一种使载波频率按照调制信号改变的调制方式。采用间接调频法，先积分再调相实现调频，其优点是提高了中心频率的稳定度。按照要求的频偏值间接调频公式为

其中，fre为载波信号频率;fc为频偏;table［i］是用于D/A转换的64点电压值中的一点。计算频率值，再计算频率控制字通过单片机并口送入AD9850实现对频率的控制，即实现 FM 调制［7－10］。

4 软件设计

4.1 系统主程序

在系统设计过程中，对系统软件采用模块化设计方法。系统软件由监控软件、键盘和显示管理模块、各功能模块和数据模块构成。

系统初始化包括对各个芯片的初始化。对AD9850初始化是向AD9850写入设定的频率/相位控制字，AD9850按设定状态输出所需频率的波形，直到重新对这些控制位进行设定。初始化后，LCD将显示欢迎界面和系统初始状态。键盘管理模块主要是识别命令、解释命令，并获得完成该命令的相应模块入口，引导进入正常工作程序。系统软件用C语言设计，相对于汇编语言，C语言对机器底层硬件操作较为方便，可读性和可移植性较好。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

4.2 AD9850子程序

AD9850的40位频率/相位控制字，通过并行方式连续输入5次，每次输入8位，将40位频率/相位控制字送入器件。在并行输入方式下，单片机通过8位总线D0～D7将外部控制字装载到AD9850的数据输入寄存器，在WCLK的上升沿装入第1 Byte，并将指针指向下一个输入寄存器，连续5个WCLK的上升沿读入5 Byte数据到输入寄存器后，WCLK的边沿就不再起作用。然后在FQ_UD上升沿到来时，将这40位数据从输入寄存器装载到频率/相位寄存器。这时，DDS的输出频率更新一次，同时将地址指针复位到第一个输入寄存器，以等待下一次的控制字输入，其工作时序如图6所示。

图6 控制字并行输入时序图

单片机通过控制“数据锁存器”和“控制锁存器”来实现对AD9850模块的控制，数据锁存器打开时，控制锁存器关闭，此时传输数据;控制锁存器打开时，数据锁存器关闭，此时根据AD9850的时序对W_CLK、FQ_UD、RESET执行相应的操作。AD9850模块的子程序流程图如图7所示。

图7 AD9850子程序流程图

5 系统测试

5.1 正弦波/方波信号指标测试

经测试，系统可产生20 Hz～40 MHz的平滑正弦波，正弦波在20 Hz～40 MHz频率范围内的频率误差在±0.5%之内，输出电压最小能保持在0.3 V，最大能保持约在5 V，频率最小步进可达1 Hz，波形稳定，无失真。测试结果如图8所示。

图8 2 MHz正弦波显示波形

图9 500 Hz的方波显示波形

5.2 2ASK/2PSK测试

示波器观察2PSK和2ASK波形，其中载波为固定频率200 kHz，波形分别如图10和图11所示。

图10 2ASK调制波形图

图11 2PSK调制波形图

5.3 FM调制波指标测试

利用数字示波器测试FM性能，载波频率为200 kHz，10 kHz/20 kHz二级调节的最大频偏测试数据达到10 kHz/20 kHz的频偏，具体图像如图12和图13所示。

图12 频偏为10 kHz的FM波

图13 频偏为20 kHz的FM波

5.4 AM调制波指标测试

示波器观察AM信号。载波信号频率为10 kHz，调制信号频率为100 Hz。记录每次已调信号的试验结果，计算调制度。调制系数的测试及计算数据调幅波的调制度随调制信号幅度变化线性较好，能够实现10%～100%的调制度。图14和图15所示为载波频率10 kHz，调制频率100 Hz下的 AM 波，其中，图14调制系数为95%，图15调制系数为45%。

图14 调制系数为95%的AM波

图15 调制系数为45%的AM波

6 结束语

以芯片AD9850为频率合成的核心，以单片机(89C52)为控制和数据处理核心，实现了正弦波、方波、调频和调幅等常用波形的产生和输出，结合键盘和显示部分，实现了任意频率值的选择和显示，构成了一个完整的实用的信号发生器。该信号发生器能在10 Hz～20 MHz范围内以任意频率输出，步进值可调，最小步进可达到1 Hz，幅度0.3～5 V;可在固定载波频率下进行数字键控，产生2ASK/2PSK信号;实现了频偏为10 kHz/20 kHz的调频波;采用AD835乘法器，实现常规双边带调幅。经系统测试和实验数据的分析结果表明，该系统具有稳定性好、精度高、范围宽等优点。

［1］潘宇倩.DDS频率合成器AD9850应用［J］.航天器工程，2007，16(5):85 －88.

［2］黄智伟.锁相环与频率合成器电路设计［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008.

［3］王建明.基于DDS技术的多波形信号源设计［D］.南京:南京理工大学，2005.

［4］陈捷.DDS技术在高频信号发生器中的应用［J］.工业控制计算机，2010，23(9):118 －119.

［5］刘国良，廖力清，施进平.AD9833型高精度可编程波发生器及其应用［J］.国外电子器件，2006(6):44－47.

［6］祝敏，高志辉.DDS信号的杂散及抑制分析［J］.电子工程师，2008，34(9):17 －19.

［7］黄蕾.基于单片机的直接数字频率合成(DDS)技术的应用研究［D］.长沙:湖南大学，2005.

［8］孙群，宋卿.基于DDS技术的便携式波形信号发生器［J］.仪表技术与传感器，2009(4):67 －70.

［9］石雄，杨加功.DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口［J］.国外电子元器件，2001(5).33 －35.

［10］曹雨，孔喜梅.基于DDS的正弦信号函数发生器［J］.北京电力高等专科学校学报:自然科学版，2010，27(7):50－51.