基于直接数字频率合成技术的信号发生器

2022-07-05 17:20:04| 来源：网友投稿

摘要：本文利用直接数字频率合成技术，以单片机PIC16F818作为控制中心，选用AD9850作为信号发生器，可编程产生0Hz-400MHz间任意频率信号，并以产生频率为100kHz的正弦信号为实例。采用直接数字频率合成技术产生的信号频率稳定，分辨率高且操作方便，在工程应用中前景非常广泛。

关键词：直接数字频率合成；AD9850信号发生器；频率控制

Signal Generator Based on Direct Digital Synthesis Techniques

SHAO Cui-ping1, FU Qi-ye2

（1.Guangdong University of Technology Huali College,

Electrical Engineering Department,Guangzhou 511325，China；

2. Guangdong AIB Polytechnic College，electronic Engineering Department , Guangzhou 510507,China ）

Abstract: By Direct Digital Synthesis techniques, a programmable 0-400MHz frequency signal is produced with PIC16F818 MCU as a control center and AD9850 as a signal generator. 100 kHz sine signal is obtained. The advantages of direct digital synthesis technology are stable frequency, high resolution and convenient operation, so the technology is widely applied in engineering.

Key words:Direct Digital Synthesis （DDS）; AD9850 signal generator; frequency control

1引言

20世纪70年代以来，随着数字集成电路和微电子技术的发展，出现了直接数字式频率合成（DDS）技术。它从相位的概念出发进行频率合成，采用了数字采样存储技术，具有精确的相位、频率分辨率，快速的转换时间等突出优点。已在军事和民用领域得到了广泛应用。

2DDS的特点

（1）优点：用直接数字频率合成技术能综合出各种信号波形，通过数控电路能对DDS输出波形的频率、幅度、相位实行精确的控制。DDS法可在调频带宽内对雷达系统信号的幅度、相位进行校正，产生接近理想的线性调频信号。只要改变某些电路参数设置，全部硬件和软件不需要改变，就可改变线性调频脉冲的宽度和调频带宽。

（2）缺点：由于DDS的全数字结构，使得它的杂散电平较高。

3DDS的工作原理

DDS的原理框图如图1所示，它包含相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器和参考时钟五部分。

时钟电路是由一个高稳定的晶体振荡器产生的，用于提供DDS中各部件同步工作。频率控制字k送到n位相位累加器中的加法器数据输入端，相位累加器在时钟频率的作用下，不断对频率控制数据进行线性相位累加，当相位累加器积满量时就会产生一次溢出，累加器的溢出频率就是DDS输出信号的频率。波形存储器主要完成信号的相位序列到幅度序列之间的转化，使之输出相应的幅度码，经过模数转换器得到相对应的阶梯波，最后经低通滤波器得到连续变化的所需频率的波形。

图1 DDS原理方框图

DDS输出信号的频率与时钟频率以及频率控制字k之间的关系如式（1）所示。

f_out=k·f_c / 2ⁿ1）

为了说明DDS相位量化的工作原理[1]，可将正弦波一个完整周期内相位0-2π的变化用相位圆表示，相位圆上每一点均对应输出一个特定的幅度值。如图2所示，相位累加器对应相位圆上2n个相位点，其最低相位分辨率为φmin=Δφ=φ/2n（在图中n=4），该幅度值存储于波形存储器中，在频率控制字k的作用下，相位累加器给出不同的相位码（用其高位作地址码）去对波形存储器寻址，完成相位-幅度变换。

图2 相位码与幅度码的对应关系

4DDS的应用实例

4.1 AD9850 DDS芯片简介

4.1.1 AD9850原理[2]

AD9850是CMOS型DDS集成芯片，内含可编程DDS 系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。其原理方框图如图3，它采用32 位的相位累加器将信号截断成14 位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10 位后输入到DAC，DAC 再输出两个互补的电流。DAC 满量程输出电流通过一个外接电阻R-SET调节，R-SET的典型值是39 kΩ。将DAC 的输出经低通滤波后接到AD9850 内部的高速比较器上即可直接输出方波。在最高时钟频率125 MHz 时， 32位频率控制字可使AD9850 输出频率分辨率达0.0291 Hz。

4.1.2 AD9850控制字与时序

AD9850有40位控制字，这40 位控制字可通过并行或串行方式输入到AD9850。在并行装入方式中，通过8 位总线D0-D7 将数据输入到寄存器，在W＿CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器[3]，在重复5 次之后再在FQ＿UD上升沿把40 位数据从输入寄存器装入到频率数据寄存器（更新DDS 输出频率），同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，其时序如图4所示。AD9850 的参考时钟频率一般远高于单片机的时钟频率，此实例中单片机选用PIC16F818，其所用时钟频率为6 MHz，因此可共用。

4.2电路设计

用单片机PIC16F818控制AD9850产生频率为100kHz的正弦信号[4]。电路主要由时钟电路和控制接口电路两部分组成。

图3 AD9850功能方框图

4.2.1时钟电路

由DDS 的原理可知，整个DDS 系统在一个统一的时钟信号即采样时钟下工作。该时钟的质量直接决定了最终输出波形频率的精度及稳定度，所以一定要有一个稳定的时钟源，本电路选用6 MHz时钟。

图4 D9850时序图

4.2.2控制接口电路

本文是利用单片机PIC16F818 对DDS 芯片的并口控制寄存器直接进行送数操作以及对相关管脚的配置来实现对该DDS 芯片的控制[5]，其原理图如图5所示。由式（1）计算得到频率控制字为71582788，其十六进制表示为00 04 44 44 44H。

图5原理图

4.3 软件设计

系统软件主要实现单片机控制AD9850 的频率控制字。流程图如图6 所示。

4.4输出信号

用示波器观察实例电路产生频率为100 kHz，幅度为1V的正弦波形如图7所示，可见由该方法产生的信号频率稳定准确、分辨率高、波形质量好，并且易于程控。要得到不同频率的信号只要改变频率控制字k即可。

图6 软件流程

5结语

基于直接数字频率合成技术的信号发生器产生的信号频率分辨率高，可达0.0291Hz，频率变化范围宽，相位连续，波形质量好。除了产生正弦波，还可以在DDS内部加上相应控制，即可以实现调幅、调相和调频功能，产生FSK，PSK，ASK和MSK等信号[6]。在雷达、遥控遥测、导航、通信等领域都具有广泛的应用前景。