【正文】 每來一個時鐘脈沖fc,加法器將頻率控制字K與寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加,再把相加后的結(jié)果送至寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。DDS方程為：,為輸出頻率,為時鐘頻率。相位累加器在時鐘的控制下以步長K作累加,輸出的N位二進(jìn)制碼與相位控制字P、波形控制字W相加后作為波形ROM的地址,對波形ROM進(jìn)行尋址,波形ROM輸出D位的幅度碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成階梯波,再經(jīng)過低通濾波器平滑后就可以得到合成的信號波形。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比,DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點,廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域,是實現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個關(guān)鍵技術(shù)。頻率源在規(guī)定的外界條件下,在一定的時間內(nèi)工作頻率的相對變化,它與所選用的參考源的長期頻率穩(wěn)定度相同。指振蕩器實際的頻率值對其標(biāo)稱值的相對偏離,即。(3)切換時間。和最大合成頻率fmax、決定,合成的頻率介于兩者之間。頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代通訊電子系統(tǒng)實現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)之一,很多電子設(shè)備的功能實現(xiàn)都依賴于所用頻率合成器的性能,因此人們常將頻率合成器喻為眾多電子系統(tǒng)的“心臟”,而頻率合成理論也因此在20世紀(jì)得到了飛躍的發(fā)展。(3)給出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想,并予以實現(xiàn)。(2)闡述AD9850直接數(shù)字頻率合成器芯片的基本原理和性能特點。本課題的目的就是設(shè)計開發(fā)出一個能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等波形的信號源,信號源的頻率準(zhǔn)確度為104,頻率穩(wěn)定度為105,頻率范圍1Hz—1MHz,波形失真小于1%，而直接數(shù)字頻率合成技術(shù)是研制該系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵技術(shù),因此對本文的研究不僅具有理論意義而且具有實用價值。雖然,DDS技術(shù)的出現(xiàn)使得信號源的性能指標(biāo)得到了飛躍,各種新的產(chǎn)品不斷推出,但是,目前市場上的信號源產(chǎn)品大多是通用型的,一般只能產(chǎn)生正弦波等標(biāo)準(zhǔn)波形。在比較新的DDS芯片中普遍都采用了12bit的D/A轉(zhuǎn)換器。DDS可以產(chǎn)生兩路相位嚴(yán)格正交的信號在正交調(diào)制和解中的到廣泛應(yīng)用,是一種很好的本振源。,頻率分辨率10mHz。如HP公司的 HP33120可以產(chǎn)生10mHz一15MHz的正弦波和方波。它不僅能產(chǎn)生傳統(tǒng)函數(shù)信號發(fā)生器能產(chǎn)生的正弦波、方波、三角波、鋸齒波,還可以產(chǎn)生任意編輯的波形。同時都采用了一些優(yōu)化設(shè)計來提高性能,如這些芯片中大多采用了流水技術(shù),通過流水技術(shù)的使用,提高了相位累加器的工作頻率,而使得DDS芯片的輸出頻率可以進(jìn)一步提高。其中以ADI公司的產(chǎn)品比較有代表性,如AD700AD9850、AD985AD985AD9858等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,對信號源頻率的穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度以及頻譜純度的要求越來越高。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,直接數(shù)字頻率合成器得到了飛速的發(fā)展,它以有別于其他頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。當(dāng)今高性能的信號源均通過頻率合成技術(shù)來實現(xiàn),隨著計算機、數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展,頻率合成技術(shù)有了新的突破,直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct Digital Synthesis DDS),它是將先進(jìn)的數(shù)字信號處理理論與方法引入到信號合成領(lǐng)域的一項新技術(shù),它的出現(xiàn)為進(jìn)一步提高信號的頻率穩(wěn)定度提供了新的解決方法。同時,對頻率合成器功耗、體積、重量等也有更高的要求。信號源有很多種,包括正弦波信號源、函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號源等。作為電子系統(tǒng)必不可少的組成部分的信號源,在很大程度上決定了系統(tǒng)的性能,因而常稱之為電子系統(tǒng)的“心臟”。而傳統(tǒng)的信號源采用振蕩器,只能產(chǎn)生少數(shù)幾種波形,自動化程度較低,且儀器體積大、靈活性與準(zhǔn)確度差。同時,隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,尤其是單片機技術(shù)的發(fā)展,智能儀器也有了新的進(jìn)展,功能更加完善,性能也更加可靠,智能程度也不斷提高,直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)的出現(xiàn)導(dǎo)致了頻率合成領(lǐng)域的一次重大革命。具體體現(xiàn)在相對帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制信號、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面,并具有極高的性價比。DDS(直接數(shù)字合成)技術(shù)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù),與傳統(tǒng)的模擬式波形產(chǎn)生法相比,它具有相位變換連續(xù)、頻率轉(zhuǎn)換速度快、分辨率高、穩(wěn)定度高、相位噪聲小、便于集成、易于調(diào)整及控制靈活等多種優(yōu)點。其系統(tǒng)時鐘頻率從30MHz到300MHz不等,其中的AD9858系統(tǒng)時鐘更是達(dá)到了1GHz,這些芯片還具有調(diào)制功能。通過運用流水技術(shù)在保證相位累加器工作頻的前提下,相位累加器的字長可以設(shè)計得更長,如AD9852的相位累加器達(dá)到了48bit。由于DDS的自身特點,還可以很容易的產(chǎn)生一些數(shù)字調(diào)制信號,如FSK、PSK等。同時還可以產(chǎn)生10mHz一5MHz的任意波形,任意波形深度 16K點。同時還具有AM、FM、PM、SSB、BPSK、FSK、碎發(fā)、 DTMF Generation和 DTMF Detection的功能,并且具有與PC機良好的接口,可以通過window界面的程序進(jìn)行任意波形的編輯。但是DDS自身的特點決定了它存在著以下兩個比較明顯的缺點:一是輸出信號的雜散比較大,二是輸出信號的帶寬受到限制。當(dāng)然一味靠增加波形ROM的長度和字長的方法來減小雜散,對性能的提高總是有限的。而不同領(lǐng)域需要不同的信號源,例如在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域,就需要短波信號源,要求其具有頻移鍵控、調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制功能。 研究內(nèi)容及目標(biāo)l 電源電壓 單相220V177。給出了一種基于DDS芯片AD9850的信號源設(shè)計的總體方案,并設(shè)計開發(fā)了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)。用AT89C52的匯編語言編程實現(xiàn)將鍵盤輸入頻率/相位值轉(zhuǎn)化為AD9850的頻率/相位控制字,從而產(chǎn)生所需的波形。 頻率合成技術(shù)指標(biāo)： 頻率合成技術(shù)有著諸多技術(shù)指標(biāo),這些技術(shù)指標(biāo)決定了頻率合成技術(shù)的特性及優(yōu)缺點,下面介紹一些基本的頻率合成技術(shù)的技術(shù)指標(biāo)。也常用相對帶寬丫來衡量頻率范圍。從發(fā)出頻率切換的指令開始,到頻率切換完成,并進(jìn)入允許的相位誤差范圍所需要的時間。（5）頻率穩(wěn)定度。(7)短期頻率穩(wěn)定度。直接數(shù)字頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。合成的信號波形形狀取決于波形ROM中存放的幅度碼,因此用DDS可以產(chǎn)生任意波形。當(dāng)K=1時,DDS輸出最低頻率（也即頻率分辨率）,為,而DDS的最大輸出頻率由Nyquist采樣定理決定,即,也就是說K的最大值為因此,只要N足夠大,DDS可以得到很細(xì)的頻率間隔。寄存器將加法器在上一個時鐘作用下繼續(xù)與頻率控制字進(jìn)行相加。令相位加法器的字長為N,當(dāng)相位控制字由0躍變到P（P≠0）時,波形存儲器的輸入為相位累加器的輸出與相位控制字P之和,因而其輸出的幅度編碼相位會增加,從而使最后輸出的信號產(chǎn)生相移。N位的尋址ROM相當(dāng)于把0176。正弦幅度量化序列經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變成了包絡(luò)為正弦波的階梯波S(t)。 DDS的工作原理DDS的基本原理是利用采樣定理,通過查表法產(chǎn)生波形。由此可以看出,相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時,把頻率控制字累加一次,相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位,相位累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。 DDS數(shù)學(xué)原理設(shè)有一頻率為的余弦信號： 公式（22）現(xiàn)在以采樣頻率對進(jìn)行采樣,得到的離散序列為： 公式（23）其中為采樣周期。由奈奎斯特準(zhǔn)則可知,允許輸出的最高頻率,即,但實際上在應(yīng)用中受到低通濾波器的限制,通常,以便于濾波鏡像頻率,一般： 公式（214）由此可見DDS的工作頻率帶較寬,可以合成從直流到的頻率信號,同時它的輸出相位連續(xù),頻率穩(wěn)定度高。(2)頻率轉(zhuǎn)換時間短DDS足,個開環(huán)系統(tǒng),無任何反饋環(huán)節(jié),這種結(jié)構(gòu)使得DDS的頻率轉(zhuǎn)換時間極短。DDS頻率轉(zhuǎn)換時間可達(dá)納秒數(shù)量級,比使用其他的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。(4)相位變化連續(xù)改變DDS輸出頻率,實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量,相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的,只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變,因而保持了信號相位的連續(xù)性。(6)其他優(yōu)點由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路,易于集成,功耗低、體積小、重量輕、可靠性高,且易于程控,使用相當(dāng)靈活,因此性價比高。AD9850的引腳排列如圖24所示,圖25為其組成框圖。AGND：模擬電路地（模擬電路有DAC和比較器）。W_CLK：控制字輸入時鐘,在此時鐘用來并行或串行輸入頻率或相位控制字。這是一個用于重復(fù)輸入32bits頻率和8bits相位/頻率控制字的8bits數(shù)據(jù)端口,D7是高位,D0是最低位（25腳）,它還是40bits串行數(shù)據(jù)輸入端口。IOUTB：DAC的補充模擬電流輸出。QOUT：輸出為真,這是比較器的真正輸出。每來一個外部參考時鐘,相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器每過個外部參考時鐘后返回到初始狀態(tài)一次,相應(yīng)地正弦查詢表每經(jīng)過一個循環(huán)也回到初始位置,從而使整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。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抖動很小的方波。并具有5位相位控制位,而且允許相位按增量180176。、176。接著在WCLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù),并把指針指向下一個輸入寄存器,連續(xù)5個WCLK上升沿后, WCLK的邊沿就不再起作用,直到復(fù)位信號或FQUD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個寄存器。AD9850的參考時鐘頻率一般遠(yuǎn)高于單片機的時鐘頻率,因此AD9850的復(fù)位(RESET)端可與單片機的復(fù)位端直接相連。位W35～W39的5位是相位控制字,改變它的內(nèi)容可以改變AD9850的輸出相位。完成40位控制/數(shù)據(jù)字的裝載后,FQ_UD引腳的脈沖信號上升沿刷新AD9850的工作狀態(tài),同時復(fù)位寄存器指針,準(zhǔn)備下一次位控制/數(shù)據(jù)字的裝入。AD9850有兩種與微機并行打印口相連的評估版,并配有Windows下運行的軟件,可以作為應(yīng)用參考,但運用單片機實現(xiàn)對DDS的控制與微機實現(xiàn)的控制相比,具有編程控制簡便、接口簡單、成本低、容易實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化等優(yōu)點,因此普遍采用MCS單片機作為控制核心來向AD9850發(fā)送控制字。將產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送回至AT89C52,通過計算得出信號的頻率值和瞬時電壓值,并通過共陰極LED顯示出來。由于單片機I/O口的資源不夠用，并且為了避免總線沖突,在單片機與AD985O之間利用CMOS芯片74HC3774HC245鎖存器進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的緩沖以及端口擴展,以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定,可靠的工作。，最大輸入功率只有155mW，不能達(dá)到本課題功率大于1W的要求，因此加入放大模塊。單片機現(xiàn)在已經(jīng)有數(shù)十個品牌,而且性能也非常穩(wěn)定可靠,本課題選用的是常用的MCS系列單片機中的AT89C52,AD9850的硬件接口非常適合像MCS這樣的單片機對其編程,這樣只要按照配置時序?qū)π酒M(jìn)行簡單的配置,芯片就能輸出所需的波形。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器?？臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。在本設(shè)計中四個I/O口都用到了,但仍然難以滿足端口數(shù)，因此其中P0口用作三態(tài)輸入口,擴展后接AD9850、八選一電路以及A/D轉(zhuǎn)換后的八位量化編碼到單片機處理,然后轉(zhuǎn)化位BCD碼通過串口輸出。值得注意的是當(dāng)P1口作為通用的I/O口使用時,由于輸出電路三極管漏極開路,因此,必須在P1口外接上拉電阻(通常外接電阻為:5~10KΩ),才能有高電平輸出AT89C52的外圍電路如下圖32中的圖(a)AT89C52,圖(b)擴展口所示。 第2~9腳“A”信號輸入輸出端，A0=B0，A7=B7，A0與B0是一組，如果DIR=“1”O(jiān)E=“0”則A1輸入B1輸出，其它類同。 第10腳GND，電源地。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路,由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄,所以即使其他元件的參數(shù)變化很大,這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。I/O方式的并行接口電路比較簡單,但占用單片機資源相對較多,圖34是I/O方式并行接口的電路圖,AD9850的數(shù)據(jù)線D0D7經(jīng)74HC373鎖存器擴展后接至P0口,所有的時序關(guān)系均可通過軟件控制實現(xiàn)。 當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。D/A轉(zhuǎn)換器的電流輸出轉(zhuǎn)換成電壓后由低通濾波器濾波,濾波器輸出至比較器的輸入,最終在QOUT端得到方波。切比雪夫濾波器在通帶內(nèi)衰減在零值和一個上限值之間做等起伏變化,阻帶內(nèi)衰減單調(diào)增大,帶內(nèi)有起伏,但過渡帶比較陡峭。在DDS波形合成技術(shù)中,濾波器設(shè)計首先主要考慮濾波器的幅頻特性、電路的輸入輸出阻抗匹配、截止頻率等,根據(jù)設(shè)計參數(shù)確定具體曲線和歸一化的元件值,再根據(jù)實際去歸一化得到實際的元件值。以一個函數(shù)發(fā)生器為例,它采用AD9850芯片為DDS核心,輸出最高頻率為125MHz,要求濾波器有平坦的幅頻特性和快速的衰減率,本文設(shè)計的橢圓濾波器的主要指標(biāo)如下：（1）3dB截止頻率為1MHz,電阻R1,R2為100Ω；（2） dB；（3）。根據(jù)去歸一化的原則： 公式（35）得到去歸一化后的元件值如表31。圖36（a）是用proteus中的九階橢圓濾波器仿真電路，圖（b）是仿真波形結(jié)果：（a） proteus中的九階橢圓濾波器仿真電路（b） 仿真波形結(jié)果圖36 失真仿真 從上圖可看出，輸入波形為1V方波，輸出為波最大值約為1mV，說明濾波衰減遠(yuǎn)大于60dB,也就是說濾波遠(yuǎn)大于1/1000，加上AD9850本身失真都小于32%，所以兩者相乘遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1%的波形失真度。為此,在A/D轉(zhuǎn)換器前加入采樣保持電路,如圖37所示。在本設(shè)計中,采用的是典型的LF398采樣保持電路,該電路具有輸入阻抗高,采樣速率快,下降速率低等一系列優(yōu)良的交直流性能,被廣泛應(yīng)用于高精度采樣保持電路中。2LSB。因此,接口電路中應(yīng)設(shè)計附加的、外部可控的三態(tài)緩沖器,該附加緩沖器僅在讀取數(shù)據(jù)時選通。同樣考慮到AT89C