隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度大動態(tài)范圍數(shù)字/模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，用數(shù)字控制方法從一個標(biāo)準(zhǔn)參考頻率源產(chǎn)生多個頻率信號的技術(shù)，即直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)異軍突起;其具有分辨率高、頻率變換快、相位噪聲低，信號純度高等優(yōu)點(diǎn)，因此，在雷達(dá)及通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。文中介紹了一種高性能DDS芯片AD9850的基本原理和工作特點(diǎn)，闡述了如何利用此芯片設(shè)計一種頻率在0~50kHz內(nèi)變化、相位正交的信號源，給出了AD9850芯片和MCS51單片機(jī)的硬件接口和軟件流程。
1.AD9850芯片介紹
AD9850是AD 公司生產(chǎn)的最高時鐘為125MHz、采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器(DAC)和高速比較器3部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，并具有時鐘產(chǎn)生功能，其原理框圖如圖1所示。
圖1 AD9850原理框圖
AD9850的DDS系統(tǒng)包括相位累加器和正弦查找表，其中相位累加器由一個加法器和一個32位相位寄存器組成，相位寄存器的輸出與外部相位控制字(5位)相加后作為正弦查找表的地址。正弦查找表實(shí)際上是一個相位/幅度轉(zhuǎn)換表，它包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應(yīng)正弦波中0~3608范圍的一個相位點(diǎn)。查找表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動10 bit的DA變換器，輸出2個互補(bǔ)的電流，其幅度可通過外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。AD9850還包括一個高速比較器，將DA變換器的輸出經(jīng)外部低通濾波器后接到此比較器上即可產(chǎn)生一個抖動很小的方波，這使得AD9850可以方便地用作時鐘發(fā)生器。
AD9850包含40位頻率/相位控制字，可通過并行或串行方式送入器件：并行方式指連續(xù)輸入5次，每次同時輸入8位(1個字節(jié));串行方式則是在一個管腳完成40位串行數(shù)據(jù)流的輸入。這40位控制字中有32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于掉電( power down)控制，2位用于選擇工作方式。
在并行輸入方式下，通過8位總線DO~D7將外部控制字輸入到寄存器，在 W_ CLK(字輸入時鐘)的上升沿裝入第一個字節(jié)，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續(xù)5個W- CLK 的上升沿讀入5個字節(jié)數(shù)據(jù)到輸入寄存器后，W- CLK的邊沿就不再起作用。然后在FQ-UD(頻率更新時鐘)上升沿到來時將這40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位寄存器，這時DDS輸出頻率和相位更新一次，同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器以等待下一次的頻率/相位控制字輸入。圖2即為AD9850控制字并行輸入時序。
圖2 控制字并行輸入時序
2.硬件設(shè)計
要產(chǎn)生兩路相位正交、頻率可由外部控制的正弦信號，必須通過單片機(jī)編程來完成外部輸入的頻率數(shù)據(jù)(3個字節(jié))與DDS芯片(AD9850)內(nèi)部頻率相位控制字(5個字節(jié))間的轉(zhuǎn)換。單片機(jī) 8051與AD9850芯片的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，本設(shè)計采用的是8位并行接口方式。
由于需要產(chǎn)生I/Q兩路正弦信號，因此使用了2片AD9850芯片，這兩路的頻率相同，相位差90°。單片機(jī)8051的P1口( P1.0~P1.7腳)用作外部空市字輸入，通過中斷1和中斷0讀入外部頻率數(shù)據(jù)，連續(xù)讀3次，對應(yīng)頻率值的二進(jìn)制數(shù);單片機(jī)的P0口( P0.0~ P0.7腳)用作頻率/相位控制字輸出，通過8位緩沖器74LS244作數(shù)據(jù)緩沖后加到2片AD9850芯片的8位控制字輸入端(D0~D7腳)，同時產(chǎn)生相應(yīng)的DDS時序控制信號(一路復(fù)位reset l、二路復(fù)位reset2、一路字輸入時鐘W1、二路字輸入時鐘W2、一路頻率更新時鐘FU 1、二路頻率更新時鐘FU2) 加到AD9850芯片的對應(yīng)管腳。AD9850的外部參考時鐘信號( clk40m)頻率為40 MHz，由晶體振蕩器產(chǎn)生。單片機(jī)8051的復(fù)位信號(reset )、中斷0和中斷1控制信號( int0、int 1)由外部控制系統(tǒng)給出，從而實(shí)現(xiàn)例路相位正交、頻率可控的正弦信號。該DDS信號源的硬件接口電路如圖3所示。
圖3 DDS信號源硬件接口電路圖
3.軟件控制
此程序的功能就是要將外部輸入的頻率數(shù)據(jù)按照一定協(xié)議和算法變換成DDS芯片(AD9850)所能接受的格式，并送出相應(yīng)的頻率相位控制信號，從而使AD9850能產(chǎn)生兩路相位正交、頻率可控的正弦信號。下面給出程序設(shè)計輸入、輸出、變換算法及流程圖。
3.1輸入
數(shù)據(jù)同步：上升沿時讀入1個字節(jié)的頻率數(shù)據(jù)，作為int1中斷輸入：
數(shù)據(jù)寫入：上升沿時頻率更新1次，作為int0中斷輸入;
8位數(shù)據(jù)：輸入的頻率字節(jié)。分3次輸入，如圖4所示。
圖4 信號源控制程序輸入
3.2輸出
單片機(jī)控制程序?qū)a(chǎn)生下述輸出信號加到DDS芯片(AD9850)的對應(yīng)腳：
resetl:一路DDS復(fù)位(一路AD9850第22腳);
reset2:二路DDS復(fù)位(二路AD9850第22腳);
w 1:一路數(shù)據(jù)同步(一路AD9850第7腳);
w2:二路數(shù)據(jù)同步(二路AD9850第7腳);
ful:一路數(shù)據(jù)寫入(一路 AD9850第8腳);
fu2:二路數(shù)據(jù)寫入(二路AD9850第8腳);
PO 口(P0.0~P0.7)：8位頻率/相位數(shù)據(jù)輸出( AD9850的D0~ D7腳)。
3.3算法
程序中單片機(jī)輸入頻率數(shù)據(jù)F(3個字節(jié))與輸出頻率數(shù)據(jù)?P( 4個字節(jié))間的變換算法見下式：
其中CIKN為外部參考時鐘( 40 000 000 Hz)。
3.4程序流程
整個程序由主程序、中斷0子程序、中斷1子程序三部分構(gòu)成。主程序流程如圖5所示，中斷1子程序流程如圖6所示，中斷0子程序流程如圖7所示。
圖5 主程序流程圖
圖6 中斷1子程序流程圖
圖7 中斷0子程序流程圖
小結(jié)
以上就是基于DDS芯片AD9850的信號源設(shè)計介紹了。通過對設(shè)計的DDS信號源在不同頻率下的輸出波形進(jìn)行了測試，結(jié)果完全能達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。目前廣泛應(yīng)用于電子測量、跳頻通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域。
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