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低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
摘 要：
直接數(shù)字合成(DDS)是一種重要的頻率合成技術(shù)，具有分辨率高、頻率變換快優(yōu)點(diǎn)，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(jì)一種頻率在0—50
kHz內(nèi)變化、相位正交的信號(hào)源，給出了AD9850芯片和MCS51單片機(jī)的硬件接口和軟件流程。
關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成 信號(hào)源 AD9850芯片
概述：
隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度大動(dòng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考頻率源產(chǎn)生多個(gè)頻率信號(hào)的技術(shù)，即直接數(shù)字合成(DDS)異軍突起。其主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)頻率轉(zhuǎn)換快：DDS頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，一般在納秒級(jí)；(2)分辨率高：大多數(shù)DDS可提供的頻率分辨率在1 Hz數(shù)量級(jí)，許多可達(dá)0．001 Hz；(3)頻率合成范圍寬；(4)相位噪聲低，信號(hào)純度高；(5)可控制相位：DDS可方便地控制輸出信號(hào)的相位，在頻率變換時(shí)也能保持相位聯(lián)系；(6)生成的正弦／余弦信號(hào)正交特性好等。因此，利用DDS技術(shù)特別容易產(chǎn)生頻率快速轉(zhuǎn)換、分辨率高、相位可控的信號(hào)，這在電子測(cè)量、雷達(dá)系統(tǒng)、
調(diào)頻通信、電子對(duì)抗等領(lǐng)域具有十分廣泛的應(yīng)用前景。
1. 低頻信號(hào)發(fā)生器的組成
圖2.7為低頻信號(hào)發(fā)生器組成框圖。它主要包括主振器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器和指示電壓表等。
（1）主振器
RC文氏橋式振蕩器具有輸出波形失真小、振幅穩(wěn)定、頻率調(diào)節(jié)方便和頻率可調(diào)范圍寬等特點(diǎn)，故被普遍應(yīng)用于低頻信號(hào)發(fā)生器主振器中。主振器產(chǎn)生與低頻信號(hào)發(fā)生器頻率一致的低頻正弦信號(hào)。
文氏橋式振蕩器每個(gè)波段的頻率覆蓋系數(shù)（即最高頻率與最低頻率之比）為10，因此，要覆蓋1Hz～1MHz的頻率范圍，至少需要五個(gè)波段。為了在不分波段的情況下得到很寬的頻率覆蓋范圍，有時(shí)采用差頻式低頻振蕩器，圖2.8為其組成框圖。假設(shè)f2=3.4MHz，f1可調(diào)范圍為3.3997MHz～5.1MHz，則振蕩器輸出差頻信號(hào)頻率范圍為300Hz （3.4MHz-3.3997MHz）～1.7MHz（5.1 MHz-3.4 MHz）。
差頻式振蕩器的缺點(diǎn)是對(duì)兩個(gè)振蕩器的頻率穩(wěn)定性要求很高，兩個(gè)振蕩器應(yīng)遠(yuǎn)離整流管、功率管等發(fā)熱元件，彼此分開(kāi)，并良好屏蔽。
（2）電壓放大器
電壓放大器兼有緩沖與電壓放大的作用。緩沖是為了使后級(jí)電路不影響主振器的工作，一般采用射極跟隨器或運(yùn)放組成的電壓跟隨器。放大是為了使信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)。為了使主振輸出調(diào)節(jié)電位器的阻值變化不影響電壓放大倍數(shù)，要求電壓放大器的輸入阻抗較高。為了在調(diào)節(jié)輸出衰減器時(shí)，不影響電壓放大器，要求電壓放大器的輸出阻抗低，有一定的帶負(fù)載能力。為了適應(yīng)信號(hào)發(fā)生器寬頻帶等的要求，電壓放大器應(yīng)具有寬的頻帶、小的諧波失真和穩(wěn)定的工作性能。
（3）輸出衰減器
輸出衰減器用于改變信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓或功率，分為連續(xù)調(diào)節(jié)和步進(jìn)調(diào)節(jié)。連續(xù)調(diào)節(jié)由電位器實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)調(diào)節(jié)由步進(jìn)衰減器實(shí)現(xiàn)。圖2.9為常用輸出衰減器原理圖，圖中電位器RP為連續(xù)調(diào)節(jié)器（細(xì)調(diào)），電阻R1～R8與開(kāi)關(guān)S構(gòu)成步進(jìn)衰減器，開(kāi)關(guān)S為步進(jìn)調(diào)節(jié)器（粗調(diào)）。調(diào)節(jié)RP或變換開(kāi)關(guān)S的擋
（4） 功率放大器及阻抗變換器功率放大器用來(lái)對(duì)衰減器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行功率放大，使信號(hào)發(fā)生器達(dá)到額定功率輸出。為了能實(shí)現(xiàn)與不同負(fù)載匹配，功率放大器之后與阻抗變換器相接，這樣可以得到失真小的波形和最大的功率輸出。
阻抗變換器只有在要求功率輸出時(shí)才使用，電壓輸出時(shí)只需衰減器。阻抗變換器即匹配輸出變壓器，輸出頻率為5Hz～5kHz時(shí)使用低頻匹配變壓器，以減少低頻損耗，輸出頻率為5kHz～1MHz時(shí)使用高頻匹配變壓器。輸出阻抗利用波段開(kāi)關(guān)改變輸出變壓器次級(jí)圈數(shù)來(lái)改變。
2. 工作原理及結(jié)構(gòu)
函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的方法有三種：一種是由施密特電路產(chǎn)生方波，然后經(jīng)變換得到三角波和正弦波形；第二種是先產(chǎn)生正弦波再得到方波和三角波；第三種是先產(chǎn)生三角波再變換為方波和正弦波。在此主要介紹第一種方法，即脈沖式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器
3. 低頻信號(hào)發(fā)生器的主要工作特性
目前，低頻信號(hào)發(fā)生器的主要工作特性如下：
①頻率范圍 一般為20Hz～1MHz，且連續(xù)可調(diào)。
②頻率準(zhǔn)確度 ±（1～3）%。
③頻率穩(wěn)定度 一般為（0.1～0.4）%/小時(shí)。
④輸出電壓 0～10V連續(xù)可調(diào)。
⑤輸出功率 0.5～5W連續(xù)可調(diào)。
⑥非線性失真范圍 （0.1～1）%。
⑦輸出阻抗 50Ω、75Ω、150Ω、600Ω、5kΩ等幾種。
⑧輸出形式 平衡輸出與不平衡輸出。
4. 低頻信號(hào)發(fā)生器的使用
低頻信號(hào)發(fā)生器型號(hào)很多，但它們的使用方法基本類似
（1）了解面板結(jié)構(gòu)
使用儀器之前，應(yīng)結(jié)合面板文字符號(hào)及技術(shù)說(shuō)明書對(duì)各開(kāi)關(guān)旋鈕的功能及使用方法進(jìn)行耐心細(xì)致的分析了解，切忌盲目猜測(cè)。信號(hào)發(fā)生器面板上有關(guān)部分通常按其功能分區(qū)布置，一般包括：波形選擇開(kāi)關(guān)、輸出頻率調(diào)諧部分（包括波段、粗調(diào)、微調(diào)等）、幅度調(diào)節(jié)旋鈕（包括粗調(diào)、細(xì)調(diào)）、阻抗變換開(kāi)關(guān)、指示電壓表及其量程選擇、電源開(kāi)關(guān)及電源指示、輸出接線柱等。
5. AD9850 芯片介紹
AD9850是AD公司生產(chǎn)的最高時(shí)鐘為125 MHz、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(shí)鐘產(chǎn)生功能。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(gè)加法器和一個(gè)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(gè)相位／幅度轉(zhuǎn)換表，它包含一個(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。一360。范圍的一個(gè)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(hào)，然后驅(qū)動(dòng)10bit的DA變換器，輸出2個(gè)互補(bǔ)的電流，其幅度可通過(guò)外接電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)。AD9850還包括—個(gè)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(gè)抖動(dòng)很小的方波，這使得AD9850可以方便地用作時(shí)鐘發(fā)生器。AD9850包含40位頻率／相位控制字，可通過(guò)并行或串行方式送人器件：并行方式指連續(xù)輸入5次，每次同時(shí)輸入8位(1個(gè)字節(jié))；串行方式則是在—個(gè)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(powerdown)控制，2位用于選擇工作方式。在并行輸入方式下，通過(guò)8位總線D0一D7將外部控制字輸入到寄存器，在W—CLK(字輸入時(shí)鐘)的上升沿裝入第一個(gè)字節(jié)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，連續(xù)5個(gè)W—CLK的上升沿讀入5個(gè)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rQ—UD(頻率更新時(shí)鐘)上升沿到來(lái)時(shí)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(shí)DDS輸出頻率和相位更新一次，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器以等待下一次的頻率／相位控制字輸入。
6 硬件設(shè)計(jì)
要產(chǎn)生兩路相位正交、頻率可由外部控制的正弦信號(hào)，必須通過(guò)單片機(jī)編程來(lái)完成外部輸入的頻率數(shù)據(jù)(3個(gè)字節(jié))與DDS38芯片(AD9850)內(nèi)部頻率相位控制字(5個(gè)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(jì)采用的是8位并行接口方式。由于需要產(chǎn)生VQ兩路正弦信號(hào)，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(P1．0一P1．7腳)用作外部控制字輸入，通過(guò)中斷1和中斷0讀入外部頻率數(shù)據(jù)，連續(xù)讀3次，對(duì)應(yīng)頻率值的二進(jìn)制數(shù)；單片機(jī)的P0口(P0．0一P0．7腳)用作頻率／相位控制字輸出，通過(guò)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(DO—D7腳)，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的DDS時(shí)序控制信號(hào)(一路復(fù)位reset1、二路復(fù)位reset2、一路字輸入時(shí)鐘W1、二路字輸入時(shí)鐘W2、一路頻率更新時(shí)鐘FU1、二路頻率更新時(shí)鐘FU2)加到AD9850芯片的對(duì)應(yīng)管腳。AD9850的外部參考時(shí)鐘信號(hào)(dk4Om)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(hào)(reset)、中斷0和中斷1控制信號(hào)(intO、int1)由外部控制系統(tǒng)給出，從而實(shí)現(xiàn)兩路相位正交、頻率可控的正弦信號(hào)。該DDS信號(hào)源的硬件接口電路如圖1所
圖1 DDS信號(hào)源硬件接口電路
7. 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(hào)，從而使AD9850能產(chǎn)生兩路相位正交、頻率可控的正弦信號(hào)。下面給出程序設(shè)計(jì)輸入、輸出、變換算法。
(1) 輸入
數(shù)據(jù)同步：上升沿時(shí)讀人1個(gè)字節(jié)的頻率數(shù)據(jù)，作為intl中斷輸入；
數(shù)據(jù)寫入：上升沿時(shí)頻率更新1次，作為intO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2所示。
(2)輸出
單片機(jī)控制程序?qū)a(chǎn)生下述輸出信號(hào)加到DDS芯片(AD9850)的對(duì)應(yīng)腳：
reset1：一路DDS復(fù)位(一路AD9850第22腳)；
reset7．：二路DDS復(fù)位(-路AD9850第22腳)；
w1：一路數(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)；
P0口(P0．0一P0．7)：8位頻率／相位數(shù)據(jù)輸出(AD9850的DO—D7腳)。
(3)算法：程序中單片機(jī)輸入頻率數(shù)據(jù)F(3個(gè)字節(jié))與輸出頻
率數(shù)據(jù)△P(4個(gè)字節(jié))間的變換算法見(jiàn)式(2)
其中CLKIN為外部參考時(shí)鐘(40 M Hz)。
(4)程序流程：整個(gè)程序由主程序、中斷0子程序、中斷1子
程序三部分構(gòu)成。流程圖略。
8 結(jié)論
對(duì)設(shè)計(jì)的信號(hào)源在不同頻率下的輸出波形進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果完全能達(dá)到所要求的性能指標(biāo)。而且AD9850工作可靠，對(duì)參考時(shí)鐘波形要求不高，輸出信號(hào)穩(wěn)定且信噪比高，是一種性價(jià)比很高的芯片，正廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量、跳頻通信、雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域。
9 致謝
通過(guò)對(duì)低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過(guò)對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教會(huì)我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問(wèn)題，提高我們的動(dòng)手能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路的焊接以及調(diào)試過(guò)程中，我個(gè)人感覺(jué)調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚?jì)算的值在實(shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過(guò)觀察效果來(lái)改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。而參數(shù)的調(diào)試是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的積累過(guò)程，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)是不可能在短時(shí)間內(nèi)將其完成的，而這個(gè)可能也是老師要求我們加以提高的一個(gè)重要方面吧
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