基于單片機(jī)+AD9850 DDS的波形發(fā)生器設(shè)計(jì) 附程序

ID:913669 · 發(fā)表于 2021-5-7 23:11

頻率合成技術(shù)是將一個(gè)（或多個(gè)）基準(zhǔn)頻率變換成另一個(gè)（或多個(gè)）合乎質(zhì)量要求的所需頻率的技術(shù)。在通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子偵察、干擾與抗干擾等眾多領(lǐng)域都有應(yīng)用。隨著各種頻率合成器和頻率合成方案的出現(xiàn)，頻率合成技術(shù)得到了不斷的發(fā)展。

1971年3月美國學(xué)者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold首次提出了直接數(shù)字頻率合成（DDS__Direct Digital Synthesis）技術(shù)。這是一種從相位概念出發(fā)直接合成所需要的波形的新的全數(shù)字頻率合成技術(shù)。同傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，DDS技術(shù)具有極高的頻率分辨率、極快的變頻速度，變頻相位連續(xù)、相位噪聲低，易于功能擴(kuò)展和全數(shù)字化便于集成，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)的多種調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，滿足了現(xiàn)代電子系統(tǒng)的許多要求，因此得到了迅速的發(fā)展。

目前市面上的DDS芯片，價(jià)格昂貴、功能固定單一，應(yīng)用受到限制。本綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目采用基于FPGA的EDA技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DDS芯片，并可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其功能進(jìn)行靈活地修改，配置。

1.2 DDS 工作原理

一個(gè)純凈的單頻信號(hào)可表示為：

（2-1）

只要它的幅度U和初始相位

不變，它的頻譜就是位于

的一條譜線。為了分析簡化起見，可令U=1，

=0，這將不會(huì)影響對(duì)頻率的研究。即：

（2-2）

如果對(duì)（2-2）的信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣周期為

（即采樣頻率為

），則可得到離散的波形序列：

（2-3）

相應(yīng)的離散相位序列為：

（2-4）

式中：

（2-5）

是連續(xù)兩次采樣之間的相位增量。根據(jù)采樣定理：

（2-6）

只要從（2-3）出來的離散序列即可唯一的恢復(fù)出（2-2）的模擬信號(hào)。從（2-2）可知，是相位函數(shù)的斜率決定了信號(hào)的頻率；從（2-5）可知，決定相位函數(shù)斜率的是兩次采樣之間的相位增量

。因此，只要控制這個(gè)相位增量，就可以控制合成信號(hào)的頻率�，F(xiàn)將整個(gè)周期的相位2

分成M份，每一份為

，若每次的相位增量選擇為

的K倍，即可得到信號(hào)的頻率：

（2-7）

相應(yīng)的模擬信號(hào)為：

（2-8）

式中K和M都是正整數(shù)，根據(jù)采樣定理的要求，K的最大值應(yīng)小于M的1/2。

綜上所述，在采樣頻率一定的情況下，可以通過控制兩次采樣之間的相位增量（不得大于π）來控制所得離散序列的頻率，經(jīng)保持、濾波之后可唯一的恢復(fù)出此頻率的模擬信號(hào)。

DDS工作原理框圖如圖2.1所示：

圖2.1 DDS原理框圖

其實(shí)質(zhì)是以基準(zhǔn)頻率源（系統(tǒng)時(shí)鐘）對(duì)相位進(jìn)行等間隔的采樣。由圖2.1見，DDS 由相位累加器和波形存儲(chǔ)器（即，ROM查詢表）構(gòu)成的數(shù)控振蕩器（NCO_ Numerically Controlled Oscillators）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以及低通濾波器（LPF）三部分組成。在每一個(gè)時(shí)鐘周期，N位相位累加器與其反饋值進(jìn)行累加，其結(jié)果的高L位作為查詢表的地址，然后從ROM中讀出相應(yīng)的幅度值送到DAC。再由DAC將其轉(zhuǎn)換成為階梯模擬波形，最后由具有內(nèi)插作用的LPF將其平滑為連續(xù)的正弦波形作為輸出。因此，通過改變頻率控制字K就可以改變輸出頻率

。

在這里

，

。

由上面的分析可得DDS的輸出頻率：

（2-9）

由上式可知，DDS的最小輸出頻率為：

（2-10）

DDS的頻率分辨率為：

（2-11）

DDS頻率輸入字的計(jì)算：

FW(N-1:0) = 2Nf0/fc （2-12）

1.3 DDS基本結(jié)構(gòu)組成

一個(gè)基本的DDS系統(tǒng)由數(shù)控振蕩器（NCO）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和低通濾波器（LPF）三部分構(gòu)成，如圖3.1所示：

圖3.1 DDS的基本結(jié)構(gòu)

數(shù)控振蕩器（NCO）產(chǎn)生頻率可控制的數(shù)字正弦載波，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）得到模擬正弦波，最后經(jīng)過低通濾波器（LPF）除去各種干擾信號(hào)。

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中的設(shè)計(jì)主要針對(duì)數(shù)控振蕩器（NCO）部分，DAC部分直接采用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)箱提供的數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路。

1.4 DDS的設(shè)計(jì)

在DDS的設(shè)計(jì)中其最基本的構(gòu)件是相位累加器和波形存貯器。通常也可在波形存貯器前面加一個(gè)相位調(diào)制器，使其具有相位調(diào)制的功能，為了防止頻率控制字、相位控制字改變時(shí)干擾相位累加器和相位調(diào)制器的正常工作，分別在這兩個(gè)模塊前面加入了兩組寄存器，從而靈活且穩(wěn)定地控制頻率字和相位字的輸入。如圖4.1所示:

圖中相位累加器（phasea）是整個(gè)DDS的核心，在這里完成相位累加功能，其輸入是相位增量，又可稱為頻率控制字

，由于

與輸出頻率

是簡單的線性關(guān)系：

（4－1）

事實(shí)上當(dāng)基準(zhǔn)時(shí)鐘

是

時(shí)，

就等于

。

相位調(diào)制器(phasemod)接收相位累加器的相位輸出，在這里加一個(gè)相位偏移值，主要用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相位調(diào)制，如PSK（相移鍵控）等，在不使用時(shí)可以去掉該部分，或加一個(gè)固定的相位控制字。

波形存儲(chǔ)器（即，正弦ROM查找表）(sinlup)把存儲(chǔ)在相位累加器中的抽樣值轉(zhuǎn)換成正弦波幅度的數(shù)字量函數(shù)，可理解為相位到幅度的轉(zhuǎn)換。它的輸入是相位調(diào)制器輸出的高M(jìn)位（而并非全部N位）值，將其作為正弦ROM查找表的地址值；查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)；輸出送往DAC，轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。

2 AD9850簡介

2.1芯片性能

隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，用數(shù)字控制方法從一個(gè)參考頻率源產(chǎn)生多種頻率的技術(shù)，即直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)異軍突起。美國AD公司推出的高集成度頻率合成器AD9850便是采用DDS技術(shù)的典型產(chǎn)品之一。AD9850采用先地蝗CMOS工藝，其功耗在3.3V供電時(shí)僅為155mW，擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40～80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式。AD9850的引腳排列，圖2為其組成框圖。圖2中層虛線內(nèi)是一個(gè)完整的可編程DDS系統(tǒng)，外層虛線內(nèi)包含了AD9850的主要組成部分。AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成�？删幊藾DS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成，N一般為24～32。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°～360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)DAC以輸出模式量。相位寄存器每過2N/M個(gè)外部參考時(shí)鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相位地正弦查詢表每消費(fèi)品一個(gè)循環(huán)也回到初始位置，從而使整個(gè)DDS系統(tǒng)輸出一個(gè)正弦波。輸出的正弦波周期To=Tc2N/M，頻率fout=Mfc/2N，Tc、fc分別為外部參考時(shí)鐘的周期和頻率。AD9850采用32位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?4位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截?cái)喑?0位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個(gè)外接電阻RSET調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)關(guān)系為ISET=32(1.148V/RSET)，RSET的典型值是3.9kΩ。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到AD9850內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波。AD9850在接上精密時(shí)鐘源和寫入頻率相位控制字之間后就可產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125MHz的時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出頻率分辨率達(dá)0.0291Hz；并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整。流程如圖（2）。

2 .2AD9850 的控制字及控制時(shí)序

AD9850 的控制字有 40 位 ,其中 32 位是頻率控制位 ,5 位是相位控制位 ,1 位是電源休眠控制位 ,2 位是工作方式選擇控制位。在應(yīng)用中 ,工作方式選擇位設(shè)為00 ,因?yàn)?01 ,10 ,11 已經(jīng)預(yù)留作為工廠測試用。頻率控制位可通過下式計(jì)算得到:f out = ( f r ×W) / 232其中: f out 要輸出的頻率值; f r 為參考時(shí)鐘頻率;W 為相應(yīng)的十進(jìn)制頻率控制字, 然后轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制即可。AD9850 有串行和并行兩種控制命令字寫入方式。其中串行寫入方式是采用 D7 作為數(shù)據(jù)輸入端 ,每次W_CL K的上升沿把一個(gè)數(shù)據(jù)串行移入到輸入寄存器40 位數(shù)據(jù)都移入后 ,FQ_UD 上升沿完成輸出信號(hào)頻率和相位的更新。串行控制字的寫入時(shí)序如圖 3 所示。但是要注意的是 ,此時(shí)數(shù)據(jù)輸入端的三個(gè)管腳不可懸空 ,其中D0 ,D1 腳接高電平 ,D2腳要接地。

圖（3）

2.3管腳定義

3 硬件部分

3.1基于AD9850的模塊原理圖

３．２硬件電路設(shè)計(jì)

AD9850 控制字的寫入方式有串行和并行兩種。并行寫入方式的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤?,能夠提升整個(gè)系統(tǒng)的處理速度 ,但占用的單片機(jī)的 I/ O 口資源太多。與并行方式相比 ,串行寫入方式在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣壬弦?,但它更大優(yōu)點(diǎn)是能節(jié)省很多 I/ O 口資源[8 ]。所以 ,本系統(tǒng)采用A T89S52 單片機(jī)作為控制核心 ,通過串行寫入控制字的方式控制 AD9850 芯片 ,加上鍵盤和L ED 顯示部分等外圍電路 ,構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)電路。為了詳細(xì)介紹 AD9850 的用法 ,這里重點(diǎn)給出本系統(tǒng)中A T89S52 單片機(jī)與 AD9850 芯片連接電路 ,如圖 4 所示 ,其中 R1 = 1 kΩ, R2 = 10kΩ, R3 =1kΩ,單片機(jī)晶振選用12 MHz ,電容采用 30 p F 經(jīng)典值。單片機(jī)采用12 MHz晶振時(shí) ,它的高電平時(shí)間能夠滿足 AD9850 。

　　　　　　　　　　　　圖（４）

4軟件部分

4.1 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件程序的功能就是通過程序使整個(gè)系統(tǒng)按照人們的設(shè)想要求工作起來 ,本系統(tǒng)中最主要的部分就是將AD9850 的 40 位控制字通過單片機(jī)寫入到 AD9850 芯片內(nèi) ,系統(tǒng)的程序流程圖如圖 4 所示。要根據(jù)寫入控制字方式的不同嚴(yán)格按照 AD9850 的時(shí)序圖來編寫控制字寫入子程序。本文主要給出串行寫入方式的C源程序以供讀者調(diào)試參考。

4.２參考程序

/*******************************************
函數(shù)：關(guān)于AD9850的DDS調(diào)頻
********************************************/
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#include <string.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
#define WRITE_DATA_IO P1 //定義AD9850數(shù)據(jù)端口
#define LED_DATA_IO P0 //定義LED燈數(shù)據(jù)端口
Unsigned char code duanma[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x80}; //設(shè)置數(shù)碼管段碼0-9
unsigned char code weima[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f}; //設(shè)置數(shù)碼管位碼
uchar WRITE_DATA[5]; //9850頻率和控制字,WRITE_DATA[5]為控制字，其他32位為頻率字
uchar display_data[8]; //8位數(shù)碼管的數(shù)值
unsigned long frequence; //無符號(hào)長整形數(shù)值，我們需要輸入的頻率
uint MHZ, KHZ , HZ; //將需要的頻率分解為MHZ，KHZ，HZ
uchar AD9850_temp; //AD9850工作標(biāo)志位
sbit W_SLK = P2^0; //AD9850字節(jié)輸入，上升沿有效
sbit DQ_VD = P2^1; //AD9850四字節(jié)輸入后，上升沿有效
sbit key_unit = P2^2; //按鍵的個(gè)位
sbit key_decade = P2^3; //按鍵的十位
sbit key_power = P2^4; //按鍵的十次冪
sbit key_sure = P2^5; //按鍵確認(rèn)
sbit weila = P2^6; //LED數(shù)碼管的位碼
sbit duanla = P2^7; //LED數(shù)碼管的段碼
/*******************************************
函數(shù)：延時(shí)函數(shù)，延時(shí)tms
入口函數(shù)：無
出口頻率：無
********************************************/
void delay1ms(uchar t)
{
uchar tt;
while(t--)
{
tt= 125;
while(tt--);
}
}
/*************************LED顯示函數(shù)**************************************/
/*******************************************
函數(shù)：初始化定時(shí)器0
入口函數(shù)：無
出口頻率：無
********************************************/
void INIT_time0()
{
TMOD |= 0x01;
TH0 = -2000 / 256;
TL0 = -2000 % 256;
EA = 1;
ET0 = 1;
TR0 = 1;
}
/*******************************************
函數(shù)：LED數(shù)碼管在start位開始顯示num數(shù)據(jù)
入口函數(shù)：start是數(shù)據(jù)從第幾位顯示，num是顯示多少位
出口頻率：無
********************************************/
void LED_display(uchar start, uchar num)
{
static unsigned char i = 0;
uchar delay = 15;
if(AD9850_temp == 1)
{
display_data[0] = MHZ / 10; //將頻率分解讓數(shù)碼管顯示
display_data[1] = MHZ % 10;
display_data[2] = KHZ / 100;
display_data[3] = KHZ % 100 / 10;
display_data[4] = KHZ % 10;
display_data[5] = HZ / 100;
display_data[6] = HZ % 100 / 10;
display_data[7] = HZ % 10;
}
LED_DATA_IO = 0xed; //顯示兩個(gè)小數(shù)點(diǎn)
weila = 1; //位碼鎖存
weila = 0;
LED_DATA_IO = duanma[10];
duanla = 1;
duanla = 0;
while(delay--);
LED_DATA_IO = weima[i+start];
weila = 1;
weila = 0;
LED_DATA_IO = duanma[display_data[i]];
duanla = 1;
duanla = 0;
i++;
if(i == num)
i = 0;
}
/*******************************************
函數(shù)：中斷函數(shù)
入口函數(shù)：無
出口頻率：無
********************************************/
void INT_time0() interrupt 1
{
TH0 = -2000 / 256;
TL0 = -2000 % 256;
LED_display(0, 8);
}
/*************************按鍵函數(shù)*************************************/
/*******************************************
函數(shù)：按鍵初始化，確定頻率的大小
入口函數(shù)：無
出口頻率：無
********************************************/
void INIT_key() reentrant //可從入函數(shù)
{
uchar unit = 0,decade = 0, power = 0, i;
AD9850_temp = 0; //AD9850開始標(biāo)志位關(guān)閉
memset(display_data, 0, 8);
while(1)
{
if(key_unit == 0) //個(gè)位鍵
{
delay1ms(20); //延時(shí)，防抖動(dòng)
if(key_unit == 0)
{
while(key_unit == 0);
unit++;
if(unit == 10 )
unit = 0;
display_data[6] = unit;
}
}
if(key_decade == 0) //十位鍵
{
delay1ms(20);
if(key_decade == 0)
{
while(key_decade == 0);
decade++;
if(decade == 10)
decade = 0;
display_data[5] = decade;
}
}
if(key_power == 0) //10次冪鍵
{
delay1ms(20);
if(key_power == 0)
{
while(key_power == 0);
power++;
if(power == 7)
power = 0;
display_data[7] = power;
}
}
if(key_sure == 0) //確定鍵
{
delay1ms(20);
if(key_sure == 0)
{
while(key_sure == 0);
break;
}
}
}
frequence = unit + 10*decade; //將按鍵得到的數(shù)值進(jìn)行變換，得到我們需要的頻率
for(i = 1; i <= power; i++)
frequence *= 10;
if(frequence >= 20000000) //由于AD9850的頻率范圍是1——20MHZ，所以超過了就重新輸入
{
frequence = 0;
INIT_key();
}
MHZ = frequence / 1000000; //將頻率分解位MHZ，KHZ，HZ，主要是為了在中斷中計(jì)算量少些，以免影響中斷效果
KHZ = frequence % 1000000 / 1000;
HZ = frequence %1000;
AD9850_temp = 1; //AD9850開始標(biāo)志位開啟
}
/*************************AD9850函數(shù)**************************************/
/*******************************************
函數(shù)：進(jìn)行9850的DDS函數(shù)發(fā)生，寫入控制字，寫入頻率字
從高字往低字寫
入口函數(shù)：需要的頻率
出口頻率：無
********************************************/
void AD9850_WRITE()
{
unsigned long temp;
char i;
W_SLK = 0;
DQ_VD = 0;
temp = (unsigned long)(34.359738368 * frequence);
for(i = 0; i < 4; i++)
WRITE_DATA[i] = temp >> (i * 8);
for(i = 4; i >= 0; i--)
{
W_SLK = 0;
WRITE_DATA_IO = WRITE_DATA[i];
W_SLK = 1;
_nop_();
}
DQ_VD = 1;
}
/*************************主函數(shù)**************************************/
/*******************************************
函數(shù)：主函數(shù)，完成對(duì)全局的操控
入口函數(shù)：無
出口頻率：無
********************************************/
void main()
{
INIT_time0(); //初始化時(shí)間中斷
while(1)
{
if(key_sure == 0)
{
delay1ms(20);
if(key_sure == 0)
{
while(key_sure == 0);
INIT_key();
AD9850_WRITE();
}
}
}
}