用DDS芯片AD9835開(kāi)發(fā)的精度頻率信號(hào)發(fā)生器

1、用dds芯片ad9835開(kāi)發(fā)的精度頻率信號(hào)發(fā)生器高精度測(cè)量往往需采納高精度、高穩(wěn)定性、高辨別率的頻率信號(hào)源。采納多個(gè)鎖相環(huán)構(gòu)成的頻率合成器，復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且信號(hào)建立時(shí)光長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)特性較差。近年來(lái)進(jìn)展起來(lái)的挺直數(shù)字式頻率合成器(dds)采納高速數(shù)字電路和高速d/a轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有以往頻率合成器難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)，如頻率轉(zhuǎn)換時(shí)光短(20ns、頻率辨別率高(0.01hz)、頻率穩(wěn)定度高(10-7至10-8)、輸出信號(hào)頻率和相位可迅速程控切換等，因此可以很簡(jiǎn)單地對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式調(diào)制。而且，因?yàn)閐ds是數(shù)字化高密度產(chǎn)品，芯片體積小、功耗低，因此可以用dds構(gòu)成高性能頻率合成信號(hào)源而取代傳統(tǒng)頻率信號(hào)源產(chǎn)品。我

2、們采納analog公司的ad9835 dds專用芯片設(shè)計(jì)了一種由及計(jì)算機(jī)控制的合成信號(hào)源，主要技術(shù)指標(biāo)如下：頻率范圍：0.1hz10mhz頻率辨別率：0.1hz頻率穩(wěn)定度：1×10-7輸出幅度：0±10v可調(diào)輸出波形：正弦波、方波(ttl電平)、psk、fsk、掃頻本信號(hào)源有可以隨意切換的兩種控制辦法：一種是用pc機(jī)上的并口傳遞控制命令及參數(shù)，為此我們用vb編寫了windows 9x操作系統(tǒng)下的控制界面，通過(guò)該程序可以十分簡(jiǎn)單地設(shè)定各種控制參數(shù)；另一種是用單片機(jī)控制，通過(guò)面板按鈕設(shè)定參數(shù)和挑選功能菜單，便于野外脫機(jī)用法。1 dds工作原理1.1 dds技術(shù)ad9835中用法

3、的dds技術(shù)是從延續(xù)信號(hào)的相位動(dòng)身，將一個(gè)余弦信號(hào)取樣、量化、編碼，形成一個(gè)余弦函數(shù)表儲(chǔ)存在rom中。合成時(shí)轉(zhuǎn)變相位增量，因?yàn)橄辔辉隽坎煌?，一個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)也不同，這樣產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率也就不同，從而達(dá)到頻率合成的效果。在這里，余弦波信號(hào)本身是非線性的，而其相位是線性的(1所示)。因此，每隔一段時(shí)光t(時(shí)鐘周期)，有對(duì)應(yīng)的相位變幻p，即pt2ft ?1從(1)式可得合成信號(hào)的頻率f為：f?p×fmc/2 ?2式中，fmc為固定時(shí)鐘頻率，fmc1/t，通過(guò)轉(zhuǎn)變相位值p就可以轉(zhuǎn)變合成信號(hào)的頻率f。 dds芯片ad9835原理框圖2所示。其中，相位累加器為32位，取其高12位作為讀取余

4、弦波形存儲(chǔ)器的地址。每一次，時(shí)鐘使相位累加器的輸出也即余弦rom尋址地址遞增頻率設(shè)定數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的波形相位變幻為：p2k/232 (3)因此，轉(zhuǎn)變相位累加器設(shè)定值k，就可以轉(zhuǎn)變相位值p，從而轉(zhuǎn)變合成信號(hào)頻率f。經(jīng)簡(jiǎn)化，合成信號(hào)頻率由下式打算：fk·fmc/232 ?4式中，fmc50mhz，用高穩(wěn)定度晶體獲得。k值在1k231之間。最低頻率為fminfmc/232，本例為0.0116hz，這也是本例的頻率辨別率；按照nyquist采樣定律，重建信號(hào)頻率最高可達(dá)fmc/2，但通常取最高頻率為fmaxfmc/3。1.2 ad9835芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)ad9835內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3所示它有一個(gè)32位相

5、位累加器，兩個(gè)32位頻率寄存器f0和f1(用于設(shè)定k值)，四個(gè)12位相位寄存器p0、p1、p2、p3。程控切換f0、f1時(shí)，可實(shí)現(xiàn)fsk和掃頻功能；程控切換p0、p1、p2、p3時(shí)，可實(shí)現(xiàn)相位psk調(diào)制。余弦函數(shù)表儲(chǔ)存在rom中。32位相位累加器的輸出值截取高12位后與12位相位寄存器pi值相加，構(gòu)成12位的相位地址，去尋址余弦rom表。尋址得到的幅度值經(jīng)10位的高速d/a轉(zhuǎn)換后成為合成余弦信號(hào)。輸出信號(hào)s對(duì)全部輸出噪聲n之比snr主要與d/a的位數(shù)有關(guān)，即與數(shù)字量化噪聲有關(guān)。理論分析可知10位d/a的snr可達(dá)60.2db，ad公司資料給出的ad9835實(shí)際snr優(yōu)于50db。輸出信號(hào)總諧波

6、重量畸變量與兩主號(hào)頻率之比mfmc/f有關(guān)，m值越大，諧波畸變?cè)叫。籱值較小時(shí)，諧波畸變較大。為消退m較小的諧波畸變，輸出端采納lc高階低通濾除高次諧波。本例中用法的是5階butterworth，可以將50mhz以上的高次諧波降低至-60db，徹低滿足高精度信號(hào)源的要求。圖3中引腳fselect、psel0、psel1是外加調(diào)制信號(hào)，可用于對(duì)dds舉行挺直位控調(diào)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字二值調(diào)頻(fsk)和數(shù)字四值調(diào)相(psk)。引腳fsync、sclk、sdata用來(lái)對(duì)dds舉行程控工作模式設(shè)定。數(shù)據(jù)傳輸方式為同步串行方式。圖3中，ad9835可以設(shè)定為sleep、reset工作方式，在sleep工作方式

7、下，功耗僅為1.75mw。2 dds信號(hào)源設(shè)計(jì)2.1 信號(hào)源框圖圖4為系統(tǒng)框圖。開(kāi)關(guān)sw切向上方時(shí)，信號(hào)源由單片機(jī)控制，工作模式、頻率和相位參數(shù)由鍵盤設(shè)定，采納8位數(shù)碼管顯示，頻率辨別率為0.1hz，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)頻、掃頻、psw、fsk四種工作模式。開(kāi)關(guān)sw切向下端時(shí)，則由pc機(jī)通過(guò)計(jì)算機(jī)并口舉行程控，工作模式與單片機(jī)控制時(shí)相同。為保證010mhz的信號(hào)輸出頻帶，濾波器采納無(wú)源lc 5階濾波器。ad9835的d/a輸出僅1.2v左右，信號(hào)經(jīng)兩級(jí)寬帶高速運(yùn)放放大近20倍后輸出。要滿足大信號(hào)10v幅度輸出時(shí)無(wú)失真，末級(jí)的擺率應(yīng)滿足svm。在10mhz時(shí)，經(jīng)計(jì)算，s600v/s。2.2 控制程序無(wú)論是

8、在pc機(jī)上用vb編程，還是在單片機(jī)上用匯編語(yǔ)言編程，主程序框圖基本全都，5所示。在圖5中，"初始化"是指對(duì)ad9835寫入控制字，包括設(shè)置sleep、reset、clr、sync、selsrc等位，還要挑選在以后的調(diào)制中用法管腳還是串行控制位來(lái)控制ad9835。一旦設(shè)定后，ad9835將保持設(shè)定狀態(tài)不變，直到重新舉行設(shè)置。因?yàn)閍d9835控制參數(shù)要求以同步串行方式輸入，因此用pc機(jī)控制的時(shí)候，采納pc機(jī)并口輸出的方法。用并口數(shù)據(jù)位線分離模擬幀同步fsync、同步時(shí)鐘sclk和串行數(shù)據(jù)sdata，按參數(shù)要求將其串行化后裝配成并行數(shù)據(jù)從并行口輸出。另外，因?yàn)関b本身不具有口讀寫

9、功能，因此需要用其他語(yǔ)言編寫口讀寫功能函數(shù)后用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。dll的形式調(diào)用，以實(shí)現(xiàn)口輸出。本程序也可以和組合用法，構(gòu)成虛擬儀器界面的數(shù)字頻率。2.3 實(shí)測(cè)結(jié)果本儀器設(shè)計(jì)完成后已投入用法，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從測(cè)量狀況來(lái)看，dds頻率合成器的頻率純度和穩(wěn)定度相當(dāng)高。圖6為合成器輸出頻率2mhz時(shí)的實(shí)測(cè)頻譜圖，圖中縱向每分度為20db，可見(jiàn)一次倍頻幅度衰減約為-45db。圖7為psk相位跳變時(shí)的波形實(shí)測(cè)圖，相位跳變值為90度，從波形可以看出，相位跳變的瞬時(shí)性和精確度十分好?？梢跃_控制相位是dds的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)，也是其它頻率合成手段難以達(dá)到的。圖8為合成器輸出頻率從頻率寄存器f0跳變到f1時(shí)的瞬態(tài)波形，波形連接得十分好，中間沒(méi)有控制失調(diào)的過(guò)渡帶浮現(xiàn)，這也是dds的突出特點(diǎn)。圖9為fsk調(diào)制波形。dds合成信號(hào)源具有高穩(wěn)定性、高精度、高辨別率、高速建立信號(hào)等突出優(yōu)點(diǎn)，是信號(hào)源進(jìn)展的方向，在對(duì)