【文章內(nèi)容簡介】 鐘。在此時鐘的上升沿,DDS將刷新已輸入到數(shù)據(jù)輸入寄存器中的頻率（或相位）字,使數(shù)據(jù)輸入寄存器歸零。D0～D7：8bits數(shù)據(jù)輸入。這是一個用于重復輸入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。RESRT：重新設(shè)置。這是整片重新設(shè)置功能,當此腳置高電平時,它清除（除輸入寄存器）的所有寄存器,DAC的輸出在一個追加的時鐘T后變成COSO。IOUT：DAC的模擬電流輸出。IOUTB：DAC的補充模擬電流輸出。DACBL：DAC基準線,這是DAC基準電壓參考。VIN：不轉(zhuǎn)換電平輸入,這是比較器的同相輸入。VINN：轉(zhuǎn)換電平輸入,這是比較器的反相輸入。QOUT：輸出為真,這是比較器的真正輸出。QOUTB：輸出補充,這是比較器的補充輸出。圖25 AD9850組成框圖AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器,能實現(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,它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成, N一般為24～32。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正弦波周期的數(shù)字幅度信息,每一個地址對應(yīng)正弦波中范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號,然后驅(qū)動DAC以輸出模擬量。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。輸出的正弦波周期,頻率f,、分別為外部參考時鐘的周期和頻率。AD9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14位輸入到正弦查詢表,查詢表的輸出再被截斷成10位后輸入到DAC, DAC再輸出兩個互補的電流[8]。DAC滿量程輸出電流通過一個外接電阻RSET調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)關(guān)系為： 公式（22） 。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。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖26所示。圖26 AD9850內(nèi)部結(jié)構(gòu)AD9850在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后就可產(chǎn)生一個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的時鐘下, 。并具有5位相位控制位,而且允許相位按增量180176。、90176。、45176。、176。、176?；蜻@些值的組合進行調(diào)整。 AD9850的控制字與控制時序AD9850有40位控制字, 32位用于頻率控制,5位用于相位控制, 1位用于電源休眠(Power down)控制, 2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850,圖27是控制字并行輸入的控制時序圖,在并行裝入方式中,通過8位總線D0…D7將可數(shù)據(jù)輸入到寄存器,在重復5次之后再在FQUD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS輸出頻率和相位),同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器。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,直到復位信號或FQUD上升沿把地址指針復位到第一個寄存器。圖27 控制字并行輸入時序圖28 控制字串行輸入的時序圖在串行輸入方式,WCLK上升沿把25引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入,當移動40位后,用一個FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖28是相應(yīng)的控制字串行輸入的控制時序圖。AD9850的復位(RESET)信號為高電平有效,且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期。AD9850的參考時鐘頻率一般遠高于單片機的時鐘頻率,因此AD9850的復位(RESET)端可與單片機的復位端直接相連。表21 AD9850串行裝載的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)位代號功能位代號功能位代號功能位代號功能W0Freqb0(LSB)W10Freqb10W20Freqb20W30Freqb30W1Freqb1W11Freqb11W21Freqb21W31Freqb31(MSB)W2Freqb2W12Freqb12W22Freqb22W32ControlW3Freqb3W13Freqb13W23Freqb23W33ControlW4Freqb4W14Freqb14W24Freqb24W34PowerDownW5Freqb5W15Freqb15W25Freqb25W35Phaseb0(LSB)W6Freqb6W16Freqb16W26Freqb26W36Phaseb 1W7Freqb7W17Freqb17W27Freqb27W37Phaseb 2W8Freqb8W18Freqb18W28Freqb28W38Phaseb 3W9Freqb9W19Freqb19W29Freqb29W39Phaseb4在表21中,位W0～W31的32位是頻率控制字,改變它的內(nèi)容可以改變AD9850的輸出頻率。位W32和W33用于工廠測試,應(yīng)向這兩位賦0。位W34用來控制AD9850的上電和掉電,當不需要輸出信號時,通過打這一位置1來實現(xiàn)掉電。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。串行裝載時,AD9850的D7引腳和W_CLK引腳組成同步串行接口,這個接口可以直接與89S52相接連。40位控制/數(shù)據(jù)字通過AD9850的D7引腳在W_CLK引腳的脈沖信號上升邊沿作用下分40次裝入。W0在前,W39在后,依次裝入。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),同時復位寄存器指針,準備下一次位控制/數(shù)據(jù)字的裝入。 AD9850頻率穩(wěn)定度及頻率準確度大連理工學院曾做過關(guān)于AD9850正弦信號發(fā)生器實驗，以下是頻率輸出測試記錄表22：表22 信號發(fā)生器頻率輸出測試記錄：標稱值/KHz實測頻率/KHz注：每一標稱值測量6次評價值/KHz準確度%55．00511．0011000，AD9850的頻率準確度達到104級。由于一般頻率穩(wěn)定度都至少比準確度在數(shù)值上小一個等級，因此頻率穩(wěn)定度可達到105級，符合目標要求。3 基于DDS的信號源硬件設(shè)計基于DDS的函數(shù)信號源的硬件電路從結(jié)構(gòu)上可以分為DDS核心、單片機控制器、接口電路、輸入輸出電路、放大電路、積分電路、顯示電路、采樣與A/D轉(zhuǎn)換模塊、電源模塊等。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。 系統(tǒng)總體硬件框圖本系統(tǒng)設(shè)計由MSC單片機、DDS芯片AD9850、LED驅(qū)動芯片MAX721低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換電路、積分電路、放大電路、電源以及其他外圍電路組成,系統(tǒng)硬件組成框圖如圖31所示。31 系統(tǒng)硬件組成框圖其中,單片機用來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制,本設(shè)計選用的是性價比高、低功耗、高性能的AT89C52單片機。信號的頻率、初始相位控制字通過與單片機相連接的鍵盤(4X4)輸入,經(jīng)單片機處理后轉(zhuǎn)換為頻率/相位控制字通過接口電路送至DDS芯片,然后在DDS的D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出端接一個低通濾波器便可得到所需的正弦波信號。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。AD9850內(nèi)部有集成比較器因此將產(chǎn)生的正弦信號通過該比較器便可得到方波信號,方波信號再經(jīng)過一個積分電路便可得到三角波信號了。由于積分電路對于固定頻率的方波轉(zhuǎn)換成三角波，如果頻率變化就要改變積分電路參數(shù)，不然會嚴重失真，因此積分電路中加入了一個電容八選一模塊。AT89C52與AD985O的接口可采用并行方式也可以采用串行方式,考慮數(shù)據(jù)的傳輸效率,本設(shè)計采用的是并行接口方式。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。DDS的輸出頻譜里含有一些鏡像頻率的成分,為了使輸出的頻率不受外界和一些雜波的干擾,需用一個低通濾波器濾除這些鏡像頻率,本設(shè)計中低通濾波器設(shè)計為橢圓濾波器。本課題用九階橢圓濾波器進行仿真，通過數(shù)據(jù)記錄并計算，得出橢圓濾波器的失真度遠小于1%，然而系統(tǒng)中的波形失真主要來自濾波，因此可說明本系統(tǒng)的失真度小于1%。系統(tǒng)設(shè)有兩個顯示模塊,一個是信號頻率,用6位共陰極LED顯示,一個是正弦波形瞬時電壓,用4位共陰極LED顯示,這兩個模塊中的LED均采用美國MAXIM公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片MAX7219驅(qū)動。，最大輸入功率只有155mW，不能達到本課題功率大于1W的要求，因此加入放大模塊。畫出總體框圖以后就開始分模塊設(shè)計各部分電路,并且用Protel99se畫圖工具畫出硬件電路圖。 MCU主控部分硬件設(shè)計AD9850所需輸入的控制字由單片機提供,這種方式比較靈活,通過編制的程序,用戶操作連接在單片機上的鍵盤即可方便地調(diào)節(jié)輸出信號的頻率和相位。單片機技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展己經(jīng)很成熟了。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行簡單的配置,芯片就能輸出所需的波形。 AT89C52的功能和結(jié)構(gòu)單片機AT89C52的主要性能分別為：與MCS單片機產(chǎn)品兼容；8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；1000次擦寫周期；全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz、三級加密程序存儲器、 32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數(shù)器、八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標識符。AT89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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。在單芯片上,擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。AT89C52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash、256字節(jié)RAM、32 位I/O 口線、2個數(shù)據(jù)指針、三個16 位定時器/計數(shù)器、一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外,AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？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。掉電保護方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機一切工作停止,直到下一個中斷或硬件復位為止。 AT89C52的I/O口規(guī)劃AT89C52有4組8位I/O口:PO、Pl、P2和P3。Pl、P2和P3為準雙向口,P0口則為雙向三態(tài)輸入輸出口。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。P1接鍵盤，鍵盤輸入的數(shù)值通過P1口送至AT89C52單片機,經(jīng)過單片機處理轉(zhuǎn)換成頻率控制字以后再通過P1口送至AD985O。、。P3口,、,。值得注意的是當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。其中的74HC373芯片管腳功能如下：OE：Output Enable,輸出使能，低電平有效；LE：Latch Enable,數(shù)據(jù)鎖存使能,latch是鎖存的意思；Dn：第n路輸入數(shù)據(jù)；Qn：第n路輸出數(shù)據(jù)。74HC245引腳說明： 第1腳DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用，DIR=“1”高電平時信號由“A”端輸入“B”端輸出，DIR=“0”低電平時信號由“B”端輸入“A”端輸出。 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。如果DIR=“0”O(jiān)E=“0”則B1輸入A1輸出，其它類同。 第11~18腳“B”信號輸入輸出端，功能與“A”端一樣，不再描述。 第19腳OE，使能端，若該腳為“1”A/B端的信號將不導通，只有為“0”時A/B端才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)的作用。 第10腳GND，電源地。 第20腳VCC，電源正極。(a) AT89C52（b） 擴展口圖32 AT89C52的外圍電路 AD985O外圍電路設(shè)計 晶振的選擇晶振是晶體振蕩器的簡稱,在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò),這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點,以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振,較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當接近,在這個極窄的頻率范圍