1kWPDM中波发射机频率合成器的设计分析

张 斐 徐世杰

基于AT89C51单片机控制的DDS方式的方波信号发生系统主要由主控制器模块、方波信号发生模块、led显示模块、按键模块、X4050（看门狗及EEPROM）组成。系统结构框图如图1所示。DDS技术是一种直接数字频率合成技术，AT89C51单片机通过SPI模式从X5045读出系统预置的频率参数，通过并行总线P1口送入AD9850，产生预置的方波信号，并且在led数码管上显示出来；当需要改变载波频率时，通过预置按键和上下按键设定为间隔为9kHz（531～1602kHz）方波，为发射机提供载波信号。

图1 系统结构框图

1 AT89C51单片机芯片及接口电路说明

单片机作为系统设计的核心部分，在系统功能实现过程中起到了决定性的作用。AT89C51是51系列单片机中的一员，与其他51单片机都高度兼容，易于程序的移植；其单片机内部有4kbytes的Flash用来存储程序，可以反复擦写使用1000次；它用来随机存取数据的RAM存储器大小为128bytes，内置的中央处理器CPU为8位，同时还有Flash存储单元。AT89C51单片机中有一个高增益反向放大器在振荡器的内部，引脚XTAL1为放大器的输入端，XTAL2是该放大器的输出端，该放大器外接石英晶体或陶瓷谐振器共同构成自激振荡器。外接的石英晶体两端与电容C1、C2分别接地后接在放大器的反馈回路中形成并联振荡电路。电容C1、C2取值的大小会稍微影响振荡器的稳定性，因为外接石英晶体，选取的电容值为30pF。AT89C51有强大的I/O口分别是（P0.0-P0.7）～（P3.0-P3.7）构成了4个并行I/O接口，可以完成数据的传送和控制，其P3口除具有一般I/O口功能外还有串行、中断、定时器等第二功能。

单片机与其他器件的连接如图2所示，单片机与AD9850接口电路采用并行接口方式，P1口作为数据接口，P3.3、P3.1和 P3.0与 AD9850的 W_CLK、FQ_UD和RESET相连作为控制引脚；单片机与X5045采用SPI总线方式通信，P3.5（T1）、P3.7（RD） 和 P3.4（T0） 与X5045的SI、SO和SCK连接进行通信，P3.2、P3.6和 RESET与 X5045的 CS、WP和RESET相连作为控制引脚；单片机的P0.0-P0.7与数码管的A-G相连，P2.0-P2.3通过4个三极管与4个数码管的COM口相连来控制数码管的通断；单片机的P2.4、P2.5和P2.6与三个按键相连实现对频率的设置，K_CON为设置按键，长按3～5秒后数码管上的预置频率闪动时，按K_UP或K_DOWN按键在（531～1602kHz）调节频率，调节好后再按K_CON按键确定后即可输出所调的频率。

2 AD9850DDS芯片及工作原理说明

AD9850是美国AD公司采用DDS技术在1996年推出的高集成度的频率合成器，它采用CMOS工艺制作，工作温度范围为-40～80 ℃，在3.3V供电下功耗为155mW，它采用28脚SSOP封装形式。图3为其组成原理框图。图中虚线内包含了由微控制器、相位控制字、频率控制字、相位累加器、加法器、相位寄存器、正弦查询表、DAC、LPF组成的一个完整的可编程DDS系统，可编程DDS系统和高速比较器的配合应用实现了全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是一个由加法器和N（32）位相位寄存器组成的相位累加器，每当过来一个外部参考时钟信号时，相位寄存器便以步长M递增，其输出与相位控制字经加法器相加后便输出到正弦查询表地址上；正弦查询表内部包含一个完整的正弦波周期的数字幅度信息，一个地址对应一个正弦波中0°～360°的一个相位点；正弦查询表把送过来地址的相位信息一一映射成正弦波幅度信号，经DAC驱动输出对应的模拟量，经过2N/M个外部参考时钟后相位寄存器就返回到初始状态一次，从而使整个DDS系统输出一个正弦波。该正弦波周期TO=Tc2N/M，频率fout=Mfc/2N，fc、Tc分别为外部参考时钟的频率和周期。

图3 AD9850组成框图

总之，信号经过32位的相位累加器后被截断成14位输入到正弦查询表，经过查询表的输出后被截断成10位输入到DAC，DAC输出两个互补的电流。该电流经过DAC满量程输出通过一个外接电阻RSET调节，经过LPF滤波后接到高速比较器上即可输出一个抖动很小的方波。

AD9850在外接上100MHz的有源晶振和单片机控制写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波，此正弦波经过系统内置的高速比较器转换后变成方波输出。

3 软件设计

系统通过单片机C语言模块化编程方案，具有可读性高、移植性好等优点。软件由主程序、X5045驱动程序、AD9850驱动程序、LED显示程序、按键扫描程序组成。主程序的功能是：系统初始化，接收按键并做初步处理，调用各个子程序。程序流程如图4所示。各子程序功能如下：X5045程序进行看门狗功能及EEPROM的数据读写。AD9850驱动程序计算频率控制字及写控制字。LED显示子程序将按键选择的频率数值转换为数码管上显示字符的相应代码。按键扫描子程序判断是否有键按下，有则稍等并进行按键处理，否则返回等待。

4 结语

图4 程序流程图

本文设计的DDS频率合成器电路最大程度地发挥了各个器件的优势，可以为PDM发射机提供稳定的载波频率，具有工作稳定、电路简单、成本低、易于实现等优点，它的状态直接决定了发射机播出质量。通过对DDS频率合成器软硬件电路设计的分析和说明，希望对技术维护人员有所帮助。

参考文献：

[1]张国光.基于DDS的高精度多路信号发生系统研究[J].电子测量技术,2014,37(4):125-129.

[2]蓝天,张金林.直接数字频率合成器DDS的优化设计[J].电子技术应用,2007(5):42-44.

[3]薛峰,吴利民,吴巍.一种高性能的DDS芯片AD9850及其应用[J].无线电通信技术,1999(4):10-11.