基于DDS技術的信號發生器研究與實現策略

?研究了一種基于DDS芯片AD9850和單片機AT89S52的信號發生器系統，能夠產生正弦波、三角波和方波三種波形。該系統頻率、幅值均可數控調節，相比傳統信號發生器的性能，具有頻帶寬、頻率穩、波形良好、接口簡單、編程方便、成本低、易小型化等優點。

1 DDS技術基本原理
??? DDS法實現正弦信號發生器的原理框圖，如圖l所示，主要由相位累加器、相位調制器、正弦ROM查找表、D／A轉換器及低通濾波器構成，其中相位累加器是整個DDS的核心，完成相位累加運算。DDS技術是根據相位間隔對正弦信號進行取樣，將所得波形數據存儲在定制好的正弦ROM表格中。頻率合成時，相位累加器在參考時鐘的作用下對時鐘脈沖進行計數，同時將累加器輸出的累加相位與頻率字輸入預置的相位增量相加，以相加后的結果形成正弦查詢表的地址；取出表中與該相位對應的單元中的波形數據值，由D／A轉換器輸出模擬信號，再經低通濾波器使波形平滑，得到符合要求的模擬信號。

??? 相位累加器由一個N位字長的加法器和N位累加寄存器級聯而成，加法器可對頻率字輸入的二進制碼進行累加運算，累加寄存器是典型的反饋電路，產生的累加結果作為正弦ROM查找表的下一個取樣地址值，把從波形表中取出的數據送到D／A轉換器進行轉換，最后經過濾波電路輸出正弦信號。相位累加器的最大計數長度與正弦查詢表中所存儲的相位分隔點數相同，由于相位累加器的相位增量不同，將導致一周期內的取樣點數不同，這樣輸出信號的頻率也相應變化(實現變頻)。如果設定累加器的初始相位，則可以對輸出信號進行相位控制。由采樣原理可知，如果使用兩個相同的頻率合成器，并使其參考時鐘相同，同時設定相同的頻率字輸入、不同的初始相位，那么在原理上就具備了實現輸出兩路具有一定相位差的同頻信號的可能性，有效地解決了在一般通信信道中存在的相位不同步問題，這也是DDS技術的顯著優點。
??? 基本DDS常用參量計算公式，輸出頻率為；頻率分辨率為；頻率字輸入為；相位分辨率，即相位最小步進為。其中，B△θ是相位增量(頻率字)；fout是信號輸出頻率；fclk是時鐘頻率：D是杏找表的地址寬度。
??? 只要對相位的量化值進行累加運算，就可得到正弦信號的當前相位值；而用于累加的相位增量量化值B△θ決定了信號的輸出頻率fout，并呈現簡單的線性關系。直接數字頻率合成技術就是根據上述原理而設計的數字控制頻率合成器。

2 系統硬件電路設計
2．1 AD9850芯片介紹
??? AD9850是美國AD公司生產的高集成度DDS芯片，采用CMOS工藝，其功耗在3．3 V供電時僅為155 mW，擴展工業級溫度范圍為-40～80℃，采用28引腳的SSOP表面封裝形式。該芯片組成原理，如圖2所示，內層虛線內是一個完整的可編程DDS系統，外層虛線內包含了AD9850的主要組成部分。AD9850內含可編程DDS系統和高速比較器，能實現全數字編程控制的頻率合成。
??? 在125 MHz的系統時鐘下，AD9850中32位的頻率字輸入可使輸出信號的頻率分辨率達到0．029 Hz，并具有5位的相位字輸入，允許相位按增量180°，90°，45°，22．5°，11．25°或這些值的組合進行調整。芯片對輸入的標準正弦波，進行直接數字合成。輸入信號頻率最高為fclk=125 MHz，可生成0～fclk／2范圍內的任意頻率的正弦波和方波。AD9850在接上時鐘電路之后，就可以產生一個頻率和幅值都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作信號發生器，或者經過內部的高速比較器轉換為方波輸出。
2．2 硬件電路設計
??? 該信號發生系統是以單片機AT89S52為控制器，以DDS芯片AD9850為核心，通過單片機控制功能芯片來實現頻率預置、控制字設置等產生相應的信號輸出。AD9850實現信號發生器功能，微處理器控制D／A轉換器，實現各種信號幅值的可調性。整個信號發生系統的硬件電路主要由單片機及外圍控制電路、正弦信號發生器功能電路、積分電路、濾波電路和檢測電路等5部分組成，系統框圖，如圖3所示。其中鍵盤采用4×4矩陣式，主要用以設置頻率和幅值；波形采用LCDl602液晶顯示；LPF低通濾波和積分電路都采用模擬集成芯片LM324實現。

3 系統軟件設計
??? 系統軟件設計采用匯編語言與C語言相結合來編寫程序，這樣不但提高程序對電路硬件的可控制性，同時也增加了程序的可讀和可移植性。軟件模塊包括主程序(AT89S52初始化、AD9850初始化、LCDl602初始化)、顯示子程序、鍵盤輸入子程序、信號發生與控制子程序4部分組成。信號發生器系統主程序流程，如圖4所示。

4 實驗研究與數據分析
??? 根據系統設計的思想，進行硬件電路搭建、硬件調試、軟件調試及樣機聯調。使用電子實驗室提供的EEl64lC型函數信號發生器、YB217-3B型雙路數字毫伏表、EZl DS2250型數字示波器等設備對研制好的信號發生器進行測試。正弦波頻率和幅值實驗結果如表1，表2所示，三角波頻率和幅值實驗結果，如表3，表4所示，方波頻率和幅值實驗結果，如表5，表6所示。

??? 從實驗結果可以看出，本信號發生器系統產生的正弦波、三角波和方波，其頻率的相對誤差均低于0．5％，其幅值的相對誤差均低于5％，滿足設計要求。

5 結束語
??? DDS技術的頻率和幅度可控任意波形發生器系統，結果顯示該信號發生器系統軟硬件電路設計的正確性和可靠性，具有調頻和調幅功能。關于信號發生器相位的控制，有待進一步研究。