应用DDS芯片AD9835开发的一种高精度频率信号发生器

　　摘 要: 介绍了一种DDS专用芯片AD9835,并利用该芯片设计了一种高精度频率信号发生器,讨论了DDS芯片的基本原理、应用及其与计算机、单片机的接口。并对实际结果进行了分析。

　　关键词: 频率合成DDS 信号源 调制

　　高精度测量往往需采用高精度、高稳定性、高分辨率的频率信号源。采用多个锁相环构成的频率合成器,电路复杂、价格昂贵,且信号建立时间长、动态特性较差。近年来发展起来的直接数字式频率合成器(DDS)采用高速数字电路和高速D/A转换技术,具有以往频率合成器难以达到的优点,如频率转换时间短(<20ns)、频率分辨率高(0.01Hz)、频率稳定度高(10^-7至10^-8)、输出信号频率和相位可快速程控切换等,因此可以很容易地对信号实现全数字式调制。而且,由于DDS是数字化高密度集成电路产品,芯片体积小、功耗低,因此可以用DDS构成高性能频率合成信号源而取代传统频率信号源产品。

　　我们采用Analog公司的AD9835 DDS专用芯片设计了一种由单片机及计算机控制的合成信号源,主要技术指标如下:

　　频率范围:0.1Hz～10MHz

　　频率分辨率:0.1Hz

　　频率稳定度:1×10^-7

　　输出幅度:0～±10V可调

　　输出波形:正弦波、方波(TTL电平)、PSK、FSK、扫频

　　本信号源有可以任意切换的两种控制方法:一种是用PC机上的并口传递控制指令及参数,为此我们用VB编写了Windows 9x操作系统下的控制界面,通过该程序可以非常容易地设定各种控制参数;另一种是用单片机控制,通过面板按钮设定参数和选择功能菜单,便于野外脱机使用。

1 DDS工作原理

1.1 DDS技术

　　AD9835中使用的DDS技术是从连续信号的相位Φ出发,将一个余弦信号取样、量化、编码,形成一个余弦函数表储存在ROM中。合成时改变相位增量,由于相位增量不同,一个周期内的取样点数也不同,这样产生的正弦信号频率也就不同,从而达到频率合成的效果。

　　在这里,余弦波信号本身是非线性的,而其相位是线性的(如图1所示)。因此,每隔一段时间Δt(时钟周期),有对应的相位变化ΔP,即

　　DDS芯片AD9835原理框图如图2所示。其中,相位累加器为32位,取其高12位作为读取余弦波形存储器的地址。每一次,时钟使相位累加器的输出也即余弦ROM寻址地址递增频率设定数据K,对应的波形相位变化为:

　　因此,改变相位累加器设定值K,就可以改变相位值ΔP,从而改变合成信号频率f。经简化,合成信号频率由下式决定:

　　式中,f_mc=50MHz,用高稳定度晶体振荡器获得。K值在1min=f_mc/2³²,本例为0.0116Hz,这也是本例的频率分辨率;根据Nyquist采样定律,重建信号频率最高可达f_mc/2,但通常取最高频率为f_max=f_mc/3。

1.2 AD9835芯片内部结构

　　AD9835内部结构框图如图3所示。它有一个32位相位累加器,两个32位频率寄存器F0和F1(用于设定K值),四个12位相位寄存器P0、P1、P2、P3。程控切换F0、F1时,可实现FSK和扫频功能;程控切换P0、P1、P2、P3时,可实现相位PSK调制。余弦函数表储存在ROM中。

　　32位相位累加器的输出值截取高12位后与12位相位寄存器Pi值相加,构成12位的相位地址,去寻址余弦ROM表。寻址得到的幅度值经10位的高速D/A转换后成为合成余弦信号。输出信号S对所有DAC输出噪声N之比SNR主要与D/A的位数有关,即与数字量化噪声有关。理论分析可知10位D/A的SNR可达60.2dB,AD公司资料给出的AD9835实际SNR优于50dB。输出信号总谐波分量畸变量与两主号频率之比m=f_mc/f有关,m值越大,谐波畸变越小;m值较小时,谐波畸变较大。为消除m较小的谐波畸变,输出端采用LC高阶低通滤波器滤除高次谐波。本例中使用的是5阶Butterworth低通滤波器,可以将50MHz以上的高次谐波降低至-60dB,完全满足高精度信号源的要求。

　　图3中引脚FSELECT、PSEL0、PSEL1是外加调制信号,可用于对DDS进行直接位控调制,实现数字二值调频(FSK)和数字四值调相(PSK)。引脚FSYNC、SCLK、SDATA用来对DDS进行程控工作模式设定。数据传输方式为同步串行方式。图3中,AD9835可以设定为SLEEP、RESET工作方式,在SLEEP工作方式下,功耗仅为1.75mW。

2 DDS信号源设计

2.1 信号源框图

　　图4为系统框图。开关SW切向上方时,信号源由单片机控制,工作模式、频率和相位参数由键盘设定,采用8位LED数码管显示,频率分辨率为0.1Hz,可以实现点频、扫频、PSK、FSK四种工作模式。开关SW切向下端时,则由PC机通过计算机并口进行程控,工作模式与单片机控制时相同。为保证0～10MHz的信号输出频带,滤波器采用无源LC 5阶滤波器。AD9835的D/A输出仅1.2V左右,信号经两级宽带高速运放放大近20倍后输出。要满足大信号10V幅度输出时无失真,末级放大器的摆率应满足S≥ωV_m。在10MHz时,经计算,S≥600V/μs。

2.2 控制程序

　　无论是在PC机上用VB编程,还是在单片机上用汇编语言编程,主程序框图基本一致,如图5所示。在图5中,“初始化”是指对AD9835写入控制字,包括设置SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC等位,还要选择在以后的调制中使用管脚还是串行控制位来控制AD9835。一旦设定后,AD9835将保持设定状态不变,直到重新进行设置。

　　由于AD9835控制参数要求以同步串行方式输入,因此用PC机控制的时候,采用PC机并口输出的办法。用并口数据位线分别模拟帧同步FSYNC、同步时钟SCLK和串行数据SDATA,按参数要求将其串行化后装配成并行数据从并行口输出。另外,由于VB本身不具有口读写功能,因此需要用其他语言编写口读写功能函数后用动态链接库。DLL的形式调用,以实现口输出。本程序也可以和虚拟仪器组合使用,构成虚拟仪器界面的数字频率信号发生器。

2.3 实测结果

　　本仪器设计完成后已投入使用,各项指标达到设计要求。从测量情况来看,DDS频率合成器的频率纯度和稳定度相当高。图6为合成器输出频率2MHz时的实测频谱图,图中纵向每分度为20dB,可见一次倍频幅度衰减约为-45dB。

　　图7为PSK相位跳变时的波形实测图,相位跳变值为90度,从波形可以看出,相位跳变的瞬时性和准确度非常好。可以精确控制相位是DDS的一个突出优点,也是其它频率合成手段难以达到的。

　　图8为合成器输出频率从频率寄存器F0跳变到F1时的瞬态波形,波形衔接得非常好,中间没有控制失调的过渡带出现,这也是DDS的突出特点。图9为FSK调制波形。

　　DDS合成信号源具有高稳定性、高精度、高分辨率、高速建立信号等突出优点,是信号源发展的方向,在电子对抗、通讯与测量等许多方面都有重大的应用价值。用DDS与PLD等芯片组合集成的专用ASIC信号源芯片、微型程控式任意波形信号源专用芯片也即将问世,这将是信号源技术的一大革命。利用砷化镓及其它高速材料和技术,可以使DDS频率进一步向高端延伸,从而使其在软件无线电方面具有重要的意义。

参考文献

1 Goldberg.B.G.Reviewing Various Techniques For Synthesizing Signals. Microwaves&RF.，1996(5)：181～185

2 魏福立.直接数字合成技术及应用.电子技术应用,1993(5)

3 CMOS Complete DDS AD9835.Analog Devices Data Sheet,1998