集成电路课程设计

集成电路原理及应用课程设计报告集成电路原理及应用课程设计报告 题 目 DDS 芯片 AD9850 原理及应用 授课教师 学生姓名 学 号 专 业 精品文档 1欢迎下载 教学单位 完成时间 2011 年 7 月 1 日 摘要 摘要 介绍了美国 A D 公司采用先进的直接数字频率合成 DDS 技术推出的高集 成度频率合成器 A D9 8 5 0 的工作原理 主要特点及其与 MCS51 单片机的接口 并给出了接口电路图和部分源程序 同时给出了以 AD9850 为频率合成器 以 AT89S52 单片机为进程控制和任务调度核心来设计一个信号频率和幅度都能预置且 频率稳定度高的函数信号发生器的设计方法 引引 言言 随着 软件无线电 技术和数字技术的飞速发展 用数字控制方法从一个参考 频率源产生多种频率的技术 直接数字合成器 Direct Digital Synthesizer DDS 被广泛应用 具体体现在相对带宽宽 频率转换时间短 频率 分辨率高 输出相位连续 可产生宽带正交信号及其他多种调制信号 可编程和全 数字化 控制灵活方便等方面 并具有极高的性价比 现已广泛应用于通讯 导航 雷达 遥控遥测 电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域 美国 AD 公司推出的 高集成度的采用先进的 CMOS 技术的直接频率合成器 AD9850 是 DDS 技术的典型产品 之一 AD9850 是高稳定度的直接数字频率合成器件 内部 数据输入寄存器 可编 程 DDS 系统 高性能数 模转换器 DAC 及高速比较器 能实现全数字编程控制的 频率合成器和时钟发生器 如接上精密时钟源 AD9850 可产生一个频谱纯净 频率 和相位都可编程控制的正弦信号 AD9850 中包含高速比较器 正弦波也可直接用作 频率信号源 也可通过比较器转换成方波 作为时钟输出 本文主要介绍了高集成 度频率合成器 A D9 8 5 0 的工作原理 主要特点及其与 MCS51 单片机的接口及应 用设计 一 一 特特 性 性 1 最高 125MHz 的时钟频率 2 片内集成高性能模数变换器 10 位 ADC 和高速比较器 3 具有良好的动态性能 在 40MHz 输出时 DAC 的抑制寄生动态范围 SFDR 仍大于 50dB 精品文档 2欢迎下载 4 供电模式可选 5v 或 3 3v 单电源供电 5 低功耗 5v 供电时功耗为 380mW 3 3v 供电时功耗为 155mW 6 体积小 28 引脚的 SSOP 表面封装 7 温度范围较宽 工业级工作温度 40 80 C o C o 8 掉电 Power down 功能 二 二 应用应用 1 频率 相敏捷正弦波合成 2 时钟恢复电路和数字锁定通信 3 数字控制的 ADC 编码发生器 4 敏捷本地振荡器应用 三 三 基本描述基本描述 是 公司采用先进的 技术 推出的高集成度 DDS 频率合 成器 它内部包括可编程 DDS 系统 高性能 DAC 及高速比较器 能实现全数字编程 控制的频率合成器和时钟发生器 接上精密时钟源 可产生一个频谱 纯净 频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出 此正弦波可直接用作频率信号 源或转换成方波用作时钟输出 接口控制简单 可以用 位并行口或 串行口直接输入频率 相位等控制数据 32 位频率控制字 在 125 时钟下 输出频率分辨率达 0 029 先进的 工艺使 不仅性能指标 一流 而且功耗少 在 3 3 供电时 功耗仅为 155 扩展工业级温度范围为 摄氏度 其封装是 引脚的 SSOP 表面封装 AD9851 内部方框图 如图 1 采用 位相位累加器 截断成 位 输入正弦查询表 查询 表输出截断成 位 输入到 输出两个互补的模拟电流 接到滤波 器上 调节 满量程输出电流 需外接一个电阻 其调节关系是 set 1 248 Rest 满量程电流为 精品文档 3欢迎下载 图 1 AD9850 的系统功能框图 四 四 AD9850AD9850 的引脚功能描述的引脚功能描述 AD9850 是 28 脚 SOP 表面封装 体积小 易用于便携仪器 其引脚排列如图 2 所示 功能如下 1 D0 D7 控制字并行输入端 其 中 D7 可作为串行输入 2 DGND 数字地 3 DVDD 为内部数字电路提供电源 4 WCLK 控制字装入时钟 5 FQUD 频率更新控制 6 CLK 输入时钟 7 AGND 模拟地 8 AVDD 为内部模拟电路提供电源 可与数字电源共用 9 RSET DAC 外接电阻 10 QOUT QB 内部比较器输出端 11 VINN VINP 内部比较器输入端 图 2 引脚排列图 12 DACBL 内部 DAC 外接参考电压端 可空 13 IB IOUT DAC 输出端 14 RES 复位端 精品文档 4欢迎下载 五 工作原理五 工作原理 是 公司采用先进的 技术 高集成度 频率合成器内 部包括可编程 系统 高性能 及高速比较器 能实现全数字编程控制的 频率合成器和时钟发生器 接上精密时钟源 可产生一个频谱纯净 频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出 此正弦波可直接用作频率信号源或转 换成方波用作时钟输出 图 3 为 AD9850 的组成框图 图 3 中虚线内是一个完整的可 编程 DDS 系统 外层虚线内包含了 AD9850 的主要组成部分 图 3 AD9850 的组成框图 基本参数计算公式基本参数计算公式 由于相位累加器是 N 比特的模 2 加法器 正弦查询表 ROM 中存储一个周期的正 弦波幅度量化数据 所以频率控制字 M 取最小值 1 时 每 2N 个时钟周期输出一个周 期的正弦波 所以此时有 F0 fc 2N 5 2 1 式中 F0为输出信号的频率 fc 为时钟频率 N 为累加器的位数 更一般的情况 频率控制字是 M 时 每 2N M 个时钟周期输出一个周期的正弦波 所以此时有 fo M fc 2N 5 2 2 式 5 2 2 为 DDS 系统最基本的公式之一 由此可以得出 输出信号的最小频率 分辨率 F0min fc 2N 5 2 3 输出信号的最大频率 Fomax Mmax fc 2N 5 2 4 DAC 每信号周期输出的最少点数 K 2N Mmax 5 2 5 精品文档 5欢迎下载 AD9850 的输出频率表达式为 Fout k fc 2 5 2 6 式 中 k 为 3 2 位的二进制值 可写成 K A31231 A30 230 A1 21 A020 5 2 7 其中 A31 A30 A1 A0对 应于 3 2 位码值 0 或 1 改变频率控制 字 K 即可改变输出频率 1 1 相位累加器相位累加器 AD9850 内含可编程 DDS 系统和高速比较器 能实现全数字编程控制的频率合成 可编程 DDS 系统的核心是相位累加器 它由一个加法器和一个 N 位相位寄存器组成 N 一般为 24 32 每来一个外部参考时钟 相位寄存器便以步长 M 递加 相位寄 存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上 正弦查询表包含一个 正弦波周期的数字幅度信息 每一个地址对应正弦波中 0o 360o范围的一个相位点 查询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 DAC 以输出模拟量 相位寄存器每过 2N M 个外部参考时钟后返回到初始状态一次 相应地正弦查询表 每经过一个循环也回到初始位置 从而使整个 D DS 系统输出一个正弦波 输出的 正弦波周期 T0 Tc M 频率 fout Mfc 2N T c fc 分别为外部参考时钟的周 期和频率 2 2 正弦查找表 正弦查找表 AD9850采32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表 输出信号是通过 把相位信息转换成正弦函数值实现的 因此 需要将相位信息映像成幅值 ROM LUT 就用于完成这个转换过程 转换的方法是 把相位的数字信息作为COS ROM LUT的地 址 虽然 NCO 的累加器是32 bit 但其输出为12 bits 想通过使用完整的232查 找表实现最大分辨率是不现实的 也是不必要的 查找表必须具有充分的分辨率 保证由 DAC 量化误差产生的输出波形中的直流误 差在控制的范围内 这就需要查找表比 10 位 DAC 多两位 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 精品文档 6欢迎下载 3 3 数模转换器 数模转换器 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 调节 调节关系为 Iset 32 1 248V RSET R 的典型值是 3 9K 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一个抖动很小的方波 AD9850 在接上精密时钟源和 写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出 此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出 在 125 MHz 的时钟下 32 位的频率控制字可使 AD9850 的输出频率分辨率达 0 0291H z 并具有 5 位相位控制位 而且允许相位按增量 180o 90o 45o 22 5o 11 25o 或 这些值的组合进行调整 4 4 结构原理图结构原理图 AD9850 主要由可编程 DDS 系统 高性能模数变换器 DAC 和高速比较器三 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 接上精密时 钟源 9850 可产生一个频谱纯净 频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出 图 2 31 AD9850 原理图 六 六 AD9850AD9850 的控制字与控制时序的控制字与控制时序 A D9850 有加位控制字 32 位用于频率控制 5 位用于相位控制 1 位用于电 精品文档 7欢迎下载 源休眠 Powe r down 控制 2 位用于选择工作方式 这 40 位控制字可通过并行 方式或串行方式输入到 A D9850 图 4 是控制字并行输入的控制时序图 在并行装 入方式中 通过 8 位总线 DO D7 将可数据输入到寄存器 在重复 5 次之后再在 F Q UD 上升沿把 40 位数据从输入寄存器装入到频率 相位数据寄存器 更新 DDS 输出频率和相位 同时把地址指针复位到第一个输入寄存器 接着在 w C L K 的 上升沿装入 8 位数据 并把指针指向下一个输入寄存器 连续 5 个 W C L K 上 升沿后 W C L K 的边沿就不再起作用 直到复位信号或 F Q UD 上升沿把地址 指针复位到第一个寄存器 在串行输入方式 W C L K 上升沿把 25 引脚的一位数 据串行移人 当移动 4 0 位后 用一个 F Q uD 脉冲即可更新输出频率和相位 图 5 是相应的控制字串行输入的控制时序图 AD985 的复位 RESET 信号为高电平 有效 且脉冲宽度不小于 5 个参考时钟周期 A D9850 的参考时钟频率一般远高于 单片机的时钟频率 因此 A D9850 的复位 RESET 端可与单片机的复位端直接相连 图 4 控制字并行输入的时序图 表 1 AD9850 采用串行装载 串行装载的数据结构由 4 位控制 数据字组成 其排列 精品文档 8欢迎下载 如表 2 所示 图 5 控制字串行输入的时序图 值得一提的是 用于选择工作方式的两个控制位 无论并行还是串行最好都写成 0 0 并行时的 1 0 O 1 和串行时的 1 0 O 1 1 1 都是工厂测试用的保 留控制字 不慎使用可能导致难以预料的后果 七 七 单片机与单片机与 AD9850AD9850 的接口的接口 AD9850 有两种与微机并行打印口相连的评估版 并配有 windows 下运行的软 件 可以作为应用参考 但运用单片机实现对 DDS 的控制与微机实现的控制相比 具有编程控制简便 接口简单 成本低 容易实现系统的小型化等优点 因此普遍 采用 MC51 单片机作为控制核心来向 AD9850 发送控制字 单片机与 AD9850 的接口既 可采用并行方式 也可采用串行方式 但为了充分发挥芯片的高速性能应在单片机资 源允许的情况下尽可能选择并行方式 1 1 I I O O 方式并行接口方式并行接口 I O 方式的并行接口电路比较简单 但占用单片机资源相对较多 图 6 是 I O 方式并行接口的电路图 AD9850 的数据线 DO D7 与 P 1 口相连 F Q UD 和 WCLK 分别与 P3 0 10 引脚 和 P3 1 11 引脚 相连 所有的时序关系均可通 过软件控制实现 将 DDS 控制字从高至低存放于 30H 至 34 H 中 发送控制字的程序 精品文档 9欢迎下载 清单如下 图 6 I O 口并行接口电路图 MOv RO 0 5 H MOV R1 3 0 H DD MOV P1 R1 S ETB P3 1 CLR P3 1 I NC R1 DJ NZ R0 DD S ETB P3 O CLR P3 O END 在程序中 每将一字节的数据送到 Pl 口后 必须将 P3 1 w CLK 置高 在其 上升沿 AD9850 接收与 Pl 口相连的数据线上的数据 然后将 P3 1 置低 并准备 下一字节的发送 连续发送 5 个字节后 须将 P3 0 F Q UD 再次置高 以使 AD9850 根据刚输入的控制字更改频率和相位输出 随后再置 P3 0 为低 准备下一 组发送 单片机的 P3 0 P3 1 引脚为串行口 当被占用时 W CLK 和 F Q UD 引脚 也可与其它 I O 脚相连 这时需要修改相应的发送程序 2 2 总线方式并行接口总线方式并行接口 总线方式并行接口占用的单片机资源较少 在这种方式下 AD985 仅作为一 扩展芯片而占用外部 RA M 的一段地址 必要时也可以只占用一个地址 图 7 是总 线方式并行接口的电路原理图 精品文档 10欢迎下载 图 7 总线方式并行方式接口的电路原理图 同样将 DD S 控制字从高至低存放于 3 0 1 I 至 3 4 H 中 发送控制字的 程序清单如下 MOV R0 0 5 H MOV R1 3 0 H MOV DPTR 0 7 0 0 H DD MOV A R1 MOVX DP TR A I NC R1 DJ NZ RO DD MOVX A DPTR END AD985 的 W CLK 和 FQ UD 信号都是上升沿有效 用 M0VX DP TRA 指令向 AD985 0 传送控制字时 由 74F138 将高八位地址的低三位译码 其输出经反相并与反相后 的信号相与得到一上升沿送至 AD9850 的 W CLK 脚 此时已送到总线 八 应用八 应用 以 AD9850 为频率合成器 采用 DDS 作为信号发生核心器件以 AT89C52 单片机 为进程控制和任务调度核心设计全数控函数信号发生器 根据输出信号波形类型可 设置 输出信号幅度和频率可数控 输出频率宽等要求 选用了美 国 A D 公司 AD9850 芯片并通过单片机程序控制和处理 AD9850 的 32 位频率控制字 再经放大后 加至以数字电位器为核心的数字衰减网络 从而实现了信号幅度 频率 类型以及输 精品文档 11欢迎下载 出等选项的全数字控制 本系统主要由单片机 D D S 直接频率信号合成器 数字 衰减电路 真有效值转换模块 A D 转换模块 数字积分选择电路等部分组成 该函数信号发生器的结构如图 8 所示 图 8 全数控函数信号发生器结构框图 2 2 DDSDDS 信号产生电路信号产生电路 该方案选用美国 A D 公司 A D9850 芯片 并采用单片机为核心控制器件来对 DDS 输送 频率控制字 从而 DDS 输 出相应频率和类型的信号 其 D D S 信号产 生电路如图 9 所示 单片机与 A D9850 的接口既可采用并行方式也可采用串行方式 为了充分发挥芯片的高速性能和节约单片机资源 本设计选择并行方式将 AT89852 的 P0 口经 74HC373 锁存器扩展后接至 DDS 的并行输入控制端 fDO D7 AD9850Jq 接 120MHz 的有源晶振 产生的正弦信号经低通滤波器 fIJPF 去掉高频谐波后即可得 到波形良好的模拟信号 这样 将 D A 转换器的输出信号经低通滤波后 接 到 AD9850 内部的高速比较器上 即可直接输 出一个抖动很小的方波 再将方波信 号加至积分电路 即可得到三角波信号 另外 也可通过键盘编辑任意波形的输 出信号 精品文档 12欢迎下载 图 9 DDS 信号产生电路 3 3 主程序主程序 主程序可控制整个系统 包括控制系统的初始化 显示 运算 键盘扫描 频 率控制 幅度控制等初始化可将系统设定为默认工作状态 然后通过扫描键盘来判 断是否有按键按下以确定用户要执行的任务 同时通过判断 23H 4 20H 1 20H 0 各功能标志位来确定应完成的功能 当 23H 4 1 时 计算频率值系统工作在频率计方 式下 当 23H 1 1 时检测峰峰值系统将检测输出信号 的峰峰值 而 当 20H 0 1 时 则更新 LCD 显示内容 当执行完后返 回键盘扫描程序并 以此循环 各功能标志位 均由键盘 峰峰值检测和定时程