一种基于DDS芯片AD9850的信号源

一种基于DDS芯片AD9850的信号源
一种基于DDS芯片AD9850的信号源

文章编号:1001-893X(2003)02-0047-04

一种基于DDS芯片AD9850的信号源3

Ξ肖汉波

(中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900)

摘 要:直接数字合成(DDS)是一种重要的频率合成技术,具有分辨率高、频率变换快等优点,在雷达及通信等领域有着广泛的应用前景。文中介绍了一种高性能DDS芯片AD9850的基本原理和工作特点,阐述了如何利用此芯片设计一种频率在0~50kH z内变化、相位正交的信号源,给出了AD9850芯片和MCS51单片机的硬件接口和软件流程。

关键词:直接数字频率合成;信号源;AD9850芯片;设计

中图分类号:T N74 文献标识码:A

A Signal G enerator

B ased on AD9850

XIAO Han-bo

(Institute of E lectronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang621900,China)

Abstract:An im portant frequency synthesis technology with such advantages as high frequency res olution and fast frequency conversion,DDS has found wide application in radar and communication field.In this paper,the principle and features of AD9850are introduced.H ow to design a signal generator with quadrature phase and fre2 quency variation between0and50kH z is presented.The hardware interface and s oftware flowchart of AD9850 and MCS51one-chip com puter are given.

K ey w ords:DDS;Signal generator;AD9850;Design

一、引 言

随着数字技术的飞速发展,高精度大动态范围数字/模拟(D/A)转换器的出现和广泛应用,用数字控制方法从一个标准参考频率源产生多个频率信号的技术,即直接数字合成(DDS)技术异军突起。其主要优点有:(1)频率转换快:DDS频率转换时间短,一般在纳秒级;(2)分辨率高:大多数DDS可提供的频率分辨率在1H z数量级,许多可达0.001H z;(3)频率合成范围宽;(4)相位噪声低,信号纯度高;(5)可控制相位:DDS可方便地控制输出信号的相位,在频率变换时也能保持相位联系;(6)生成的正弦/余弦信号正交特性好等。因此,利用DDS技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号,这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。

美国AD公司推出的高集成度频率合成芯片AD9850就是采用DDS技术的典型产品之一。针对DDS的上述特点,本文基于AD9850器件设计了一种信号源,用来产生两路相位正交、频率可在0~50 kH z范围变化、分辨率为1H z的正弦波信号,并给出了AD9850芯片的工作原理和信号源设计的硬件接口电路及软件设计流程。

二、AD9850芯片介绍

AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MH z、采用先进的C MOS技术的直接频率合成器,主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器(DAC)和

Ξ收稿日期:2002-10-13

高速比较器3部分构成,能实现全数字编程控制的

频率合成,并具有时钟产生功能,其原理框图如图1所示

图1 AD9850原理框图

AD9850的DDS 系统包括相位累加器和正弦查找表,其中相位累加器由一个加法器和一个32

位相位寄存器组成,相位寄存器的输出与外部相位控制字(5位)相加后作为正弦查找表的地址。正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表,它包含一个正弦波周期的数字幅度信息,每一个地址对应正弦波中0°~360°范围的一个相位点。查找表把输入地址的

相位信息映射成正弦波幅度信号,然后驱动10bit 的DA 变换器,输出2个互补的电流,其幅度可通过外接电阻进行调节。AD9850还包括一个高速比较器,将DA 变换器的输出经外部低通滤波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波,这使得AD9850可以方便地用作时钟发生器。

AD9850包含40位频率/相位控制字,可通过并

行或串行方式送入器件:并行方式指连续输入5次,每次同时输入8位(1个字节);串行方式则是在一个管脚完成40位串行数据流的输入。这40位控制字中有32位用于频率控制,5位用于相位控制,1位用于掉电(power down )控制,2位用于选择工作方式。

在并行输入方式下,通过8位总线D0~D7将外部控制字输入到寄存器,在W -C LK (字输入时钟)的上升沿装入第一个字节,并把指针指向下一个输入寄存器,连续5个W -C LK 的上升沿读入5个字节数据到输入寄存器后,W -C LK 的边沿就不再起作用。然后在FQ -UD (频率更新时钟)上升沿到来时

将这40位数据从输入寄存器装入到频率/相位寄存器,这时DDS 输出频率和相位更新一次,同时把地址指针复位到第一个输入寄存器以等待下一次的频率/相位控制字输入。图2即为AD9850控制字并行输入时序。

图2 AD9850控制字并行输入时序

三、硬件设计

要产生两路相位正交、频率可由外部控制的正弦信号,必须通过单片机编程来完成外部输入的频率数据(3个字节)与DDS 芯片(AD9850)内部频率相位控制字(5个字节)间的转换。单片机8051与AD9850芯片的接口既可采用并行方式,也可采用串

行方式,本设计采用的是8位并行接口方式。

由于需要产生I/Q 两路正弦信号,因此使用了2片AD9850芯片,这两路的频率相同,相位差90°。

单片机8051的P1口(P1.0~P1.7脚)用作外部控制字输入,通过中断1和中断0读入外部频率数据,连续读3次,对应频率值的二进制数;单片机的P0口(P0.0~P0.7脚)用作频率/相位控制字输出,通过8

位缓冲器74LS244作数据缓冲后加到2片AD9850芯片的8位控制字输入端(D0~D7脚),同时产生相应的DDS 时序控制信号(一路复位reset1、二路复位reset2、一路字输入时钟W1、二路字输入时钟W2、一

路频率更新时钟FU1、二路频率更新时钟FU2)加到AD9850芯片的对应管脚。AD9850的外部参考时钟

信号(clk40m )频率为40MH z ,由晶体振荡器产生。单片机8051的复位信号(reset )、中断0和中断1控制信号(int0、int1)由外部控制系统给出,从而实现两路相位正交、频率可控的正弦信号。该DDS 信号源的硬件接口电路如图3所示。

图3 DDS 信号源硬件接口电路图

四、软件控制

此程序的功能就是要将外部输入的频率数据按

照一定协议和算法变换成DDS 芯片(AD9850)所能接受的格式,并送出相应的频率相位控制信号,从而使AD9850能产生两路相位正交、频率可控的正弦信号。下面给出程序设计输入、输出、变换算法及流程图。

11输入

数据同步:上升沿时读入1个字节的频率数据,

作为int1中断输入;

数据写入:上升沿时频率更新1次,作为int0中断输入;

8位数据:输入的频率字节。分3次输入,如图4所示。

图4 信号源控制程序输入

21输出

单片机控制程序将产生下述输出信号加到

DDS

芯片(AD9850)的对应脚

:

reset1:一路DDS 复位(一路AD9850第22脚);

reset2:二路DDS 复位(二路AD9850第22脚);w1:一路数据同步(一路AD9850第7脚);w2:二路数据同步(二路AD9850第7脚);fu1:一路数据写入(一路AD9850第8脚);fu2:二路数据写入(二路AD9850第8脚);

P0口(P0.0~P0.7):8位频率/相位数据输出

(AD9850的D0~D7脚)。

3.算法

程序中单片机输入频率数据F (3个字节)与输

出频率数据ΔP (4个字节)间的变换算法见式(2):

F =

ΔP ?C L KIN

232

(2) 其中C LKI N 为外部参考时钟(40000000H z )。

41程序流程

整个程序由主程序、中断0子程序、中断1子程序三部分构成。主程序流程如图5所示,中断1子程序流程如图6所示,中断0子程序流程如图7所示。

图5 主程序流程图

图6 中断1子程序流程图

图7 中断0子程序流程图

五、结 论

我们对设计的DDS 信号源在不同频率下的输出波形进行了测试,结果完全能达到所要求的性能

指标。而且AD9850工作可靠,对参考时钟波形要求

不高,

输出信号稳定且信噪比高,是一种性价比很高的DDS 芯片,正广泛应用于电子测量、跳频通信、雷达系统等领域。

参 考 文 献

[1] Analog Devices Inc.C M OS 125MH z C om plete DDS Synthe 2

sizer AD9850[S].1997.

[2] 高卫东,等.AD9850DDS 芯片信号源的研制[J ].实验

室研究与探索,2000,(5).

[3] 石雄,等.DDS 芯片AD9850的工作原理及其与单片机

的接口[J ].国外电子元器件,2001,(5).

作者简介:

肖汉波(1975-),男,硕士,现从事雷达信号处理方面的科研工作。

(上接第42页)

图8信号上的尖峰是由传动机构齿隙导致的齿隙振荡。输入信号在0附近时,速度最大,此时的

角度误差最大,约9个码,角度滞后误差最大值为9×0.022°=0.2°,与系统设计值相符。

图7 系统输入角度指令 图8 角度动态滞后误差

九、结 论

根据前述的伺服系统设计方法,运用于机载雷

达天线指向稳定系统研制。将该系统安装在摇摆台上,使摇摆台作正弦规律的摆动,摆动范围、周期符合飞机姿态变化规律。天线上光笔发出的光点,将分布于前方标靶上一定的区域内。测量该区域范围,可测量出天线指向稳定误差。实际测量数据与

仿真结果一致,达到系统设计要求,同时也证明设计

和仿真的正确性。

参 考 文 献

[1] 季友善.自动控制原理[M].国防工业出版社,1980.

[2] 秦继荣.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].机

械工业出版社,1993.[3] 陈涌泉.空载雷达的空域稳定讨论[J ].空载雷达,

1978,(1).

作者简介:

熊 峰(1966-),男,重庆人,高级工程师。

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