基于AD9850构成的DDS正弦波信号发生器设计与实现

嘉兴技师学院 黄汉平

中兴通讯 邱 波

1.引言

随着数字大规模集成电路技术的发展，采用数字电路的直接数字频率合成技术(DDS)具有频率转换速度快、频率分辨率高、相位可控、频率稳定度高等优点。频率转换速度快、频率分辨率高的信号源在现代电子通讯、航空航天、自动控制等领域中是必不可少的，因此DDS信号源在上述领域获得广泛的应用。

AD9850是ADI公司生产的低功耗直接数字频率合成技术典型产品之一，AD9850具有频率转换速度快、频率分辨率高、相位噪声低、频率稳定度高等优点。本论文设计的是以直接频率合成（DDS）器件AD9850和MCS-51单片机为核心，配合必要的外围接口器件，在单片机软件控制下，能够产生给定频率和起始相位的附加调制信息的正弦波信号发生器。

2.AD9850的基本工作原理

2.1 AD9850的主要性能指标

①最大支持时钟频率为125MHz

②频率分辨率达到0.029Hz

③支持两种供电电压：+3.3V or +5V

④低功耗：380mW @ 125MHz(+5V)155mW @ 110MHz(+3.3V)

⑤频率转换时间：10个时钟周期。比如当fs=125MHz时，频率转换时间为：10×1/(125×106)≈0.1μs。

⑥输出的无杂散动态范围SFDR大于50dB @ 40MHz

⑦具有相位可控

⑧支持并口和串口输入控制接口

⑨频率控制字采用32位二进制码

2.2 AD9850引脚说明

AD9850采用了先进的CMOS工艺，采用28脚SSOP表面封装形式，其管脚如图1所示，引脚功能如表1。

2.3 AD9850内部结构

AD9850的芯片功能框图如图2所示。AD9850芯片内包括高速DDS、10位DAC、频率/相位数据寄存器、数据输入寄存器、比较器等，在125MHz参考时钟下，AD9850经过高速的DDS核心芯片能产生一个32位频率调整控制字可使AD9850的输出频率达0.0291Hz；并能提供了5bits的相位控制位，它能使输出相位以180°、90°、45°、22.5°、11.25°或是它们任意组合的增量改变。AD9850的电路结构允许产生频率值是参考时钟的一半的输出，并且输出的频率能用数控方式以每秒产生23000000个新频率的速度变化。AD9850芯片内的比较器构成能接收经外部低通滤波后的DAC转换输出，可以产生一个低抖动的方波输出的装置，因此AD9850用作时钟发生器十分方便。频率/相位数据寄存器、数据输入寄存器在外部的频率更新时钟和字加载时钟的控制下进行频率控制字的输入和更新，使芯片输出所要求的频率和相位。

2.4 AD9850的工作原理

AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统由相位累加器和正弦查表组成，其相位累加器由一个加法器和一个N位的相位寄存器组成，N一般为24～32；实质上是一个可变模的计数器，即DDS相位增量(△Ψ)的个数在计数器收到每一个时钟脉冲时被存储起来，当计数器溢出时，它就回到初态并使用相位累加器输出到相邻值。频率控制字能设置计数器的模，它决定了相位增量(△Ψ)的大小。相位增量(△Ψ)在每个时钟到来时便在相位累加器中相加，相位增量(△Ψ)越大，则累加器溢出的速度越快，产生的输出频率越高。

表1 AD9850各引脚功能表：

AD9850采用32位的相位累加器，AD9850利用改进的，独有的算法，把14bits已截断的相位累加器的输出转变成适当的余弦值，经 片内高速的10bit DAC转换器，可得到模拟正弦波。这个独特的算法使用一个简化了的ROM表和DSP技术等功能，有助于缩小AD9850的体积和功耗。输入、输出、参考时钟和频率控制字的关系如下：

其中：fout：输出信号频率；△Ψ：32位频率控制字数值；CLKIN：输入的参考时钟频率。

3.系统硬件设计

3.1 系统总体设计

系统以单片机8051为控制核心，通过对AD9805内部的频率控制字和相位控制字进行软件编程，然后通过外接低通滤波器达到所需性能指标的正弦波信号。

系统分为2个模块：单片机最小系统和DDS模块。单片机最小系统包括8051单片机、2*2中断键盘矩阵、串口通讯、下载接口。DDS模块包括核心芯片AD9850和低通滤波器。系统总体框图如图3所示。

3.2 AD9850与单片机接口

AD9850与单片机接口电路，需要考虑以下几点：

①AD9850控制字写入方式选择。AD9850控制字的写入方式有串行和并行两种。并行写入方式的优点是数据传输的速度快，能够提升整个系统的处理速度，为了充分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式，所以，本系统采用8051单片机作为控制核心，通过并行写入控制字的方式控制AD9850芯片。如图4所示，AD9850的数据线D0～D7与P1口相连。

②FQ UD和W CLK与单片机连接。AD9850的FQ UD控制信号和W CLK控制信号与分别与8051单片机的P3.0（10引脚）和P3.1（11引脚）相连，所有的时序关系均可通过软件控制实现。

③RESET与单片机连接。AD9850的晶体振荡器采用100MHz，AD9850的复位（RESET）信号为高电平有效，且脉冲宽度不小于5个参考时钟周期。由于单片机采用12MHz晶振时，它的高电平时间能够满足AD9850复位要求，故可将AD9850的复位端与单片机的复位端直接相连。

图1 AD9850的引脚排列

图2 AD9850功能框图

图3 系统总体结构框图

图4 单片机与AD9850芯片连接电路

图5 系统软件流程图

3.3 AD9850应用时需要注意的事项

①AD9850作为时钟发生器使用时，要避免混叠或谐波信号落入有用输出频带内，并减少外部滤波器的要求，必须要使输出频率小于参考时钟频率的33%。

②AD9850参考时钟频率最低为1MHz，低于此频率，系统自动进入电源休眠方式；高于此频率，系统恢复正常。

③印制线路板应采用多层板，要有专门的电源层和接地层，而且不能有引起层面不连续的蚀刻导线条。

④印制线路板的顶层应留有带一定间隙的接地面，以便为表面安装器件提供方便。

⑤印制线路板的AD9850器件下面不能走数字信号线，避免把噪声耦合进芯片；避免数字信号与模拟信号交叉，且它们在电路板相反两侧上的走线应彼此垂直，以减小电路板的馈通影响。

⑥时钟等快速开关信号应利用数字地屏蔽起来，以免向电路板上的其它器件辐射噪声，并且绝不应靠近基准输入或位于封装之下。

⑦要考虑用良好的去耦电路，分别把高质量的陶瓷去耦电容接到各自的接地引——去耦电容应尽可能靠近器件。

⑧采用独立的模拟电源和数字电源，AD9850电源线路应采用尽可能宽的走线，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的毛刺噪声影响。

4.系统软件设计

4.1 系统软件总体设计

要实现对系统的软件控制，合理安排程序流程尤为重要。系统程序流程图见图5。

从低到高的时钟信号从外部输入，或者由内部32位的刷新时钟把I／O缓冲寄存器中的控制字传送到AD9850的DDS内核，这样就可以从写端口写入AD9850的控制字暂时寄存在I／O缓冲寄存器中；所以，程序设计中要特别注意AD9850的时序要求，正确送出逻辑控制字，注意其刷新时钟。

4.2 键盘扫描及按键识别子程序

在本设计中，所设定的频率和初始相位都是通过2×2键盘输入的，因此要通过键盘扫描和按键识别程序将输入的键值处理后送至AD9850。键盘的工作方式一般有循环查询工作方式、定时中断扫描工作方式和中断工作方式。

为了提高CPU的工作效率，可以采用中断的方法扫描键盘，即只有在键盘有键按下时，才执行键盘扫描并执行该按键功能程序。如果无按键按下，单片机将不理睬键盘。子程序流程图如图6所示。

4.3 控制字写入程序

并行控制写入过程如下：FQ UD由高电平转为低电平，单片机将数据W0输出；之后，单片机控制W CLK由低电平转为高电平，保持至少3.5ns后，再由高电平转为低电平，此时写完控制字W0；然后按照写入W0过程，依次写入W1、W2、W3、W4；最后，单片机控制FQ UD由低电平转为高电平，完成40位数据写入过程，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器W0，为下次写入频率/相位控制字作好准备。控制字写入流程如图7所示。

图6 键盘扫描及识别流程

图7 并行控制字写入流程

图8 1MHz正弦信号

图9 10MHz正弦信号

5.系统测试

系统功能的实现需要CPU与外围电路的密切配合。为保证系统按照设计意图正常工作，必须对硬件电路和程序代码进行仔细调试，因此系统的调试在设计中占据着重要的地位。

5.1 系统上电前的测试

在系统上电前，需要对硬件电路板进行仔细测试，看电源和地之间是否短路，芯片各引脚之间是否短路，芯片各引脚是否与焊盘连接良好，是否有焊接错误。主要是采用两种方法，其一就是利用显微镜对电路板的焊接情况进行仔细检查，看是否有短路，焊接是否可靠；其二就是利用数字万用表对各引脚和测试点进行检查，保证电路上没有短路。

5.2 电源、晶振的测试

电源电路、晶振电路和复位电路是保证整个系统正常工作的基础，虽然其调试相对比较简单，但也应首先保证他们的正常工作。单片机和AD9850的供电电源是5V。在接入外部电源前。首先要对外部输入电压进行测量，用万用表测得5v是否符合要求，经测试，电压值为5V，符合系统供电要求。然后用示波器对两个电源进行检测，看其是否干净，有没有杂散，实测5V电压均很稳定。

晶振的调试就比较简单，单片机使用的是12MHz的温度补偿晶振，用示波器检测后，发现其工作正常。AD9850使用100MHz的温度补偿晶振，用示波器检测后，发现其工作正。

5.3 正弦信号的产生

从键盘输入正弦信号的频率和初始相位值，通过单片机将输入的频率和相位值转换为频率／相位控制码，AD9850选择的是并行数据输入模式，40位的数据控制字经8位数总据线分5次重复输入。W CLK端和FQ UD经过5次加载后，输入了40位的数据控制字，W CLK端信号的上升沿将被忽略，数据将不再被加载，直到下一个复位信号或者下一个FQ UD端信号的上升沿到来为止。在FQ UD端信号的上升沿将40位的控制字加载进入相位累加器，并且将地址指针复位指向第一个数据输入地址端。每传输一次8位的控制码后，延时3.5ns，置单片机引脚P3.3为l，即产生一个有效的W CLK上升沿信号，将控制码送入AD9850输入数据寄存器当中，重复5次后，就可将40位的控制码全部加载到AD9850的输入数据寄存器当中，然后再延时lns，置单片机引脚P3.2为l，即产生一个有效的FQ UD上升沿信号，再延时Ins后，将40位的控制码全部加载到AD9850中的DDS频率合成部分中，经过13至118个周期后，就可以得到所需要的信号了。图8为1MHz的正弦信号，图9为10MHz的正弦信号。

6.结论

本文根据现代电子技术的发展需要以及直接数字频率合成技术的特点，设计出了一套基于DDS的高精度信号源，该信号源能够产生正弦波信号波形。经过系统的软件、硬件调试试验，所设计的系统能够产成正弦波形，信号的频率、相位、幅度的调节精度和抗干扰性等技术性能指标基本上达到了预期的设计目标。通过本文设计以及对DDS的研究表明，DDS技术可以应用在高速宽带频率合成领域，特别是在对频率切换速度、频率分辨率及相噪、杂散要求较高的场合，DDS技术显示了特殊的优势。本文只是DDS技术的初步研究，要达到性能完善，还有很多工作要做。比如电磁兼容的考虑、各种同步信号的设计以及系统稳定性问题等等。

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