DDS数字高频信号发生器的设计

1、DDS数字信号发生器的设计 摘 要：本设计以先进的DDS数字频率合成技术为核心，整个系统是以AT89S52为控制，AD9851芯片和LC级联滤波模块及有源晶体振荡器构成的DDS正弦波信号发生器。该系统可按键改变频率，步进值可设定100Hz等其它随意值；可以输出高稳定的正弦信号，输出端使用高频功率放大模块提高其输出电压峰峰值和带负载能力；用0832和AD0809构成步进调幅（AM）模块和AD574和AD9851构成频率数控调频（FM）模块，从而完全实现AM，FM信号步进调制；还自制多路分档低纹波电源，整个系统不仅完全达到并超过基本要求还全基本实现了发挥部分，同时还具有实现频率扩展、跳频，相位变换

2、，多种波形产生信号源等实用性功能。关键词：数字频率合成技术（DDS）；AD9851；AT89S52；调幅调频Abstract: The system adopting DDS, The fundamental principle of direct digital synthesis (DDS) is introduced in this paper. And it also analyzes several frequency synthesis projects with DDS. Finally it introduces the research and design of digit

3、al frequency synthesizer by complete. AD 9851 is a highly integrated device that used advanced direct digital synthesis (DDS) technology1And also intraduced the application in direct digital frequency signal generator. An important frequency synthesis technology with such advantages as high frequenc

4、y resolution and fast frequency conversion, DDS has found wide application in radar and communication field. In this paper, the principle and features of AD9851 are introduced. How to design a signal generator with quadrature phase and fre2 quency variation between 0 and 10MHz is presented. The hard

5、ware interface and software flowchart of AD9851andAT98S52 one -chip computer are givenKeywords: frequency hopping, DDS technology, AD9851, direct digital synthesis, AT98S52目 录1 系统设计11.1 设计要求11.1.1 基本要求11.1.2 发挥部分11.2 总体设计方案11.2.1 设计思路11.2.2 方案论证与比较21.2.3 系统硬件组成42 单元电路设计62.1 DDS正弦信号发生器62.2 高频功率放大器电路的

6、设计82.3 1KH调制信号的产生电路92.4 AM调幅电路的设计102.5 FM调频电路的设计102.6 滤波器电路的设计113 软件设计223.1 信号发生器程序流程图223.2 AD9851调幅输出控制的程序流程图233.3 AD9851调频输出控制的程序流程图233.4 中断处理程序流程图244 误差分析245 系统测试255.1 测试使用的仪器255.2 指标测试和测试结果265.2.1 输出频率范围和稳定度的测试265.2.2 输出频率范围和稳定度的测试266 结束语27参考文献281 系统设计1.1 设计要求1.1.1 基本要求（1）正弦波输出频率范围：1kHz10MHz；（2）

7、具有频率设置功能，频率步进：100Hz；（3）输出信号频率稳定度：优于10-4；（4）输出电压幅度：在50负载电阻上的电压峰-峰值Vopp1V；（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。1.1.2 发挥部分在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：（1）增加输出电压幅度：在频率范围内50负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V±1V；（2）产生模拟幅度调制（AM）信号：在1MHz10MHz范围内调制度ma可在10%100%之间程控调节，步进量10%，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（3）产生模拟频率调制（FM）信号：在100kHz10MHz频率范围内产生10kH

8、z最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生；（4）产生二进制PSK、ASK信号：在100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号自行产生；（5）其他。1.2 总体设计方案1.2.1 设计思路题目要求设计一个正弦信号发生器。设计中采用DDS数字频率合成技术，通过功能键设置实现步进值调节正弦波频率，采用LC滤波级联模块实现输出正弦波低失真且稳定度优于10-4，输出端采用高频功率放大模块使输出正弦波峰峰值Vopp达到6V±1V，控制部分以AD公司采用先进的DDS直接数字合成技

9、术生产的高集成度产品AD9851芯片和Atmel公司的单片机AT89S52为核心，将AD9851并行加载到AT89S52进行控制，使用0832和AD0809构成步进调幅模块及自制乘法器调幅模块和AD574数据采集结合AD9851调频控制模块，分别可实现模拟幅度调制（AM）信号和频率调制（FM）信号，以及二进制PSK、ASK信号，并且增加频率扩展，跳频技术等功能，使系统更加完善实用。1.2.2 方案论证与比较1正弦波发生器的设计方案论证与选择方案一：采用传统的直接频率合成DS技术。这种方法能快速频率变换，具有低相位噪声等优点，电路图如图1.2.1所示。但分离元件设计结构复杂，体积庞大，成本高，产

10、生过多的杂散分量，不易于控制。图1.2.1 分立元件构成的正弦信号发生器方案二：采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器Vco的输出频率锁定在所需频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且省去大量的滤波器。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长，而且正弦波的幅度，频率和相位都很难控制。方案三：采用直接数字频率合成技术（Direct Digital Frequency Synthesis），相位累加器（PA），正弦波查找表（即存放在只读存储器（ROM）中的相位码/幅度码转换表），数字/模拟转换器（DAC），低通滤

11、波器（LPF）组成。参考频率源是一个高稳定度的有源晶振，其输出信号为DDS合成频率的基准频率，保证DDS中的各部件同步工作，用频率控制字Fcw来控制相位累加器的累加次数，从而改变输出频率f0的高低。DDS具有相对频带宽很宽，频率转换时间短，频率分辨高（最小值为0.042Hz）等优点，DDS系列芯片全数字化结构高度集成，输出频率相位和频率连续，频率和相位及幅度均可实现程控，符合题目设计要求。基准时钟相位累加器相位/幅度变换D/A变换低通滤波比较器 图1.2.2 AD9851内部工作框图综上所述，本次制作选择方案三采用DDS数字频率合成技术，AD9851芯片和Atmel生产的单片机AT89S52构

12、成核心主控系统2高频功率放大电路的设计方案与论证方案一：采用丙类功率放大电路。可用三极管用3DA5109。调整放大管的导通角在70º左右，可以提高功放的效率。但同时失真度放大，输出端必须采用并联谐振回路，较复杂。方案二：采用甲类功率放大电路。甲类放大器的导通角为360º，适用于信号功率放大；乙类功率放大器的导通角为180º，适合大功率工作。甲类或乙类功率放大电路其输出功率和效率都不是很高，但可以轻松达到提高电压峰峰值目的。 综上所述，选择方案二采用甲类放大器电路设计末级功率放大电路。3模拟幅度调制（AM）载波的设计方案与论证方案一：采用数控电位器组成的电阻分压网络

13、，但由于数控电位器的分档数不满足题目中对AM载波的控制要求，而且组合接法比较复杂，程序上增加难度。方案二：8038为信号源产生1KHz的正弦波信号源，幅度控制由AT89S52编程控制DAC0832控制实现，利用DAC0832内部的电阻网络，将其作为数控电位器使用，将8038的输出波形作为DAC0832的电压基准的输入，其输出波形幅度将为V=（N/256）×Vin，其中N为单片机输入的幅度控制字符，通过一简单的电阻分压网络调整运放放输出为峰-峰值05，再选入DAC0832由单片机控制其幅度，从而实现峰-峰值0.1V步进调整。综上所述，采用方案二。4模拟幅度调制（AM）调制波的设计方案与

14、论证1KHz的调幅波由8038和带宽1MHz的DAC0832实观。利用DAC0832内部的电阻网络，将经8038产生的1KHz正弦波作为DAC0832的电压基准源，由单片机控制输入的数字量实现。幅度的调整，即V=（N/256）×Vin，其中N为单片机输入的幅度控制字。1MHz10MHz载波由AD9851控制产生，相位累加器的位数为N，相位控制字的值为FN，频率控制字的位数为M，频率控制字的值为FM，系统外部参考时钟频率为40M，鉴于题目的频带要求，就不进行内部6倍参考时钟，此时，由F=FmFc/2N来确定最终输出正弦波的频率，通过其控制字符来对实现输出正弦波的调频5模拟频率调制（FM

15、）调制波的设计方案与论证FM信号UFM（t）的表达式为UFM波的振幅。它不随调制信号变化则恒定的，w0FM波的中心角频率，它就是Uw(t)=0，即未调制，时载波角频率，受调后，FM信号的瞬时角频率w(t)是以wc为中心而变化的。Aw(t)FM波的瞬时角频率偏移（瞬时角频偏），（为调制信号电压的最大值）FM波的调频灵敏度，它表示单位调制信号电压所引起的角频率偏移变化值。FM波的瞬时相位偏移，FM波的瞬时相位偏移，是受调后与FM波的瞬时角频率偏移相对应的FM波瞬时相位偏移。FM波的最大相偏，也称为FM波的调频损数。其中可以得知FM波的最大角频率偏移（最大角偏）与调制信号电压最大值对应，同时近似认为

16、角频率偏移量与调制信号的电压值成线性关系。最大频偏对应5KHZ点，而2408是AD574双极性量程的一半则单步频偏=5000/2408*N= 100(D)/ 41(D)*N，设AD574采样数据为N，则采样数据对应频偏分布如下：正极性： w=(N-2048)* *k负极性： w=(2048-N)* *k由此逻辑关系来对AD9851进行字控制从而达到频率调制目的。 6滤波的设计方案设计与论证为了消除波形表生成时所带来的毛刺及生成正弦波时进行数模转换所产生的高频分量，我们在系统的后级设计了滤波器来提高产生的波形质量。方案1：采用二阶切比雪夫低通滤波器。切比雪夫滤波器的幅度响应在通带内是在两个值之间

17、波动，在通带内的波动次数取决于滤波器的阶数。理想的切比雪夫滤波器在靠近截止频率的部分有比巴特沃思滤波器更接近矩形的频率回应。这一点是以通带内允许波动为代价而得到的。方案2：基于题目1KHZ到10MHZ高频带，采用多阶型LC低通滤波器。由于要滤除的频率分量主要为高次偕波分量和D/A产生的高频分量（1M和10M），所以相对来说，滤波器在通带内的平坦程度对我们而言，比其衰减陡度更为重要，而且型LC低通滤波器的元件值也较合乎实际情况，不像绝大多数其他类型滤波器对元件值要求那么苛刻，在截止频率附近，频率响应钝化可能使这些滤波器在要求锐截止的地方不合要求。基于上述考虑，我们决定采用第二种方案。1.2.3

18、系统硬件组成信号发生器硬件系统组成框图如图1.2.3所示。MCUAT89S52显示MAX7219LED键盘电源AD9851LC滤波器1KHz10MHz正弦波输出控制字图1.2.3 信号发生器硬件系统组成框图调频模块硬件系统组成框图如图1.2.4所示：ICL8038调制 发生器LM398采样保持器AD574信号采集AT89S52MCU7219显示控制器LEDLC滤频器DDS芯片AD9851图1.2.4 调频模块硬件系统组成框图调幅模块硬件系统组成框图如图1.2.5所示：ICL8038信号发生器0832DA转换 AM调幅法键盘AT89S52MCS键盘AT89S52MCSDDS信号发生器MAX721

19、9显示 控制器LED显示器1kHz正弦波幅度可变1kHz正弦调制信号调幅波图1.2.5 调幅模块硬件系统组成框图2 单元电路设计2.1 DDS正弦信号发生器图2.1.1其中AD9851的内部结构如图2.1.1所示。它是采用28脚SSOP表面封装的超大规模DDS集成芯片。它将32位相位累加器，正弦函数功能查询表，D/A变换器以及调制、控制电路等集成到一起，它的时钟频率可达180MHz，输出信号频率可达70MHz，分辨率为0.04Hz。AD9851为了避免要求高速参考时钟振荡器，在其电路内部结构中设计了一个6倍的参考时钟乘法器，当系统时钟为180MHz时，输入参考时钟只需要30MHz即可。AD98

20、51片内高速比较器被设计成为能够接受DAC外部滤波器的输出，用以产生一个低抖动的输出脉冲。频率调制，控制和相位调制字可以采用串行或并行的方式输入AD9851，并行方式由5组8位控制字反复送入，前8位控制输出相位，6倍频器，电源休眠和输入方式，其余各位构成32伴频率控制字，串行输入以一个40位的串行数据流经过一个并行输入总线输入。AD9851运用了先进的CMOS技术，提供了在5V电源供电，以最大时钟速度为180MHz只有555mW的功能。工作温度范围-40+85。AD9851的主要特性有：（1）允许最高输入时钟180MHz，同时提供可选择的片内6倍频乘法器。（2）内置高性能的10b数模转换器。（

21、3）内含一个高速比较器。（4）具有简单的控制接口，允许串/并行异步输入控制字。（5）采用32b频率控制字。（6）内部使用5b相位调制字。（7）工作电压2.75.25V。（8）可以工作在掉电方式。（9）采用极小的28脚贴片式封装。其引脚功能如图2.1.2所示。图2.1.2D0D7：8位数据输入口，可给内部寄存器装入40位控制数据。PGND：6倍参考时钟倍乘器地。PVCC：6倍参考时钟倍乘器电源。W-CLK：字装入信号，上升沿有效。FQ-UD：频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效。FREFCLOCK：外部参考时钟输入。CMOS/TTL脉冲序列可直接或间接地加到6倍参考时钟倍乘器上。在直接方

22、式中，输入频率即是系统时钟；在6倍参考时钟倍乘器方式，系统时钟为倍乘器输出。AGND：模拟地。 AVDD：模拟电源(+5)。DGND：数字地。DVDD：数字电源(+5)。RSET、DAC：外部复位连接端。 VOUTN：内部比较器负向输出端。VOUTP：内部比较器正向输出端。VINN：内部比较器的负向输入端。VINP：内部比较器的正向输入端。DACBP：DAC旁路连接端。IOUTB：“互补”DAC输出。 IOUT：内部DAC输出端。RESET：复位端。低电平清除DDS累加器和相位延迟器为0Hz和0 相位，同时置数据输入为串行模式以及禁止6倍参考时钟倍乘器工作。表2.1.1 控制字特性表Symbo

23、lDefinitionMintDSData Setup Time3.5nstDHData Hold Time3.5nstWHW_CLK High3.5nstWLW_CLK Low3.5nstCDREFCLK Delay after FQ_UD3.5nstFHFQ_UD High7.0nstFLFQ_UD Low7.0nstFDFQ_UD High Delay after W_CLK7.0nstCFOutput Latency from FQ_UDFrequency Change18 SYSCLK CyclesPhase Chage13 SYSCLK Cycles图2.1.3 AD9851读写时

24、序R2R1R3R4R5R7R8R6R8R10R11C3C1C2C2C10C7C9C8C12C13C11C4C5C6CT1CT2L1L2L3L4L5L6L7L81N+VCCOUT2.2 高频功率放大器电路的设计图2.2.1 高频功率放大器电路的设计2.3 1KH调制信号的产生电路8038为函数信号发生器，可同时产生正弦波、三角波、矩形波形，如下电路W3可以得到满意的正弦波。调节W7可以改变输出正弦波的幅值。10K711W710K-12VVOA110K5610K410kW5100KRB10KW310KRA10K6 4 5 98 8038 37 10 11 12 1 2W6100K0.22uFCj2

25、10k+12V100K图2.3.1 1KHZ信号产生电路如下电路通过改变AT89S52的控制字，可以实现编程控制1kHz调制信号的输出幅值，从而实现频率偏移量的步进调节。 1KHZ正弦信号D0D1 D2AT89S52 D3D4D5D6D7D0D1 VREF D2D3 DA0832D4 RfD5 IOUT1D6 IOUT2D7 1KHZ调制信号输出 图2.3.2 变幅IKHZ正弦调制信号产生电路2.4 AM调幅电路的设计如下电路F1496的输出为双边带信号，将这一输出信号送到运算加法器构成的加法器，与载波信号相加，就可以得到需要的已调AM信号。 UC 1N UAM 1N +12V C2 2 1

26、4 3 6 5 12 F1496 14 8 10 C1 C3 C5 C6 C4 C7 4.7n 4.7n R3 R5 R6 R11 R10 R8 R9 R7 R4 R2 R1OUT GND A GND +12V 1KHZ调制信号输出OUT UC 1N调幅信号(t)t图2.4.1 1496构成的调幅电路2.5 FM调频电路的设计AD9851经编程后得到的调频信号输出，电路框图如下。(t)t调频信号ICL8038调制 发生器LM398采样保持器AD574信号采集AT89S52MCU7219显示控制器LEDLC滤频器DDS芯片AD9851图2.5.1 电路框图2.6 滤波器电路的设计 为了使输出的频

27、率不受外界和一些杂波的干扰，所以选用了9阶的型LC低通滤波器，其动态范围宽达035MHZ,增益高，35MHZ时衰减2.4DB，采用RFSim99对LPF进行仿真图如图2.6.2。输入、输出阻抗为50。图2.6.1 级联LC滤波电路表2.6.1 滤波设计参数表谐振频率f(MHz)1.52.53.54.55.56.57.58.59.5电容（PF）51171842940568380272220160130电感（uH）2.22.22.22.22.22.22.22.22.2图2.6.2 滤波仿真图3 软件设计软件设计的关键是对AD公司DDS系列集成芯片AD9851的频率控制以及AD与DA的控制。软件实现

28、的功能是：调频步进，输出频率测量输出频率并显示控制DAC0832的工作控制AD574的工作是开始DDS初始化是否有按键输出默认DDS控制字键盘扫描功 能 键 判 定量程选择步进量程选择10KHZ欧欧、步进量程选择100HZ递增键递键键幅位键功 能1功 能2功 能 3功 能 4功 能 5功 能6 处理输出否3.1 信号发生器程序流程图 图3.1.1 信号发生器程序流程图3.2 AD9851调幅输出控制的程序流程图开始键盘扫描有按键否查表读取调制控制字符输出控制字到DA0832结束否是图3.2.1 AD9851调幅输出控制的程序流程图3.3 AD9851调频输出控制的程序流程图 是否开始初始化启动

29、AD采集结束转换结束中断中断结束中断处理否是图3.3.1 AD9851调频输出控制的程序流程图3.4 中断处理程序流程图中断中断入栈读AD采样数据计算频偏计算频偏的DDS控制字送控制字DDS处理传输返回 图3.4.1 中断处理程序流程图4 误差分析由于DDS的工作原理是基于数字取样及数模恢复的处理，所以输出的模拟信号中必然会有杂散噪声，其来源主要有以下几方面的因素：1相位误差（1）相位舍位引起的误差。在DDS中，由于累加器的位数N大于RAM的寻址位数W，使得累加器的输出导址RAM时，其N-W个低位就必须舍去，因此会不可避免地产生相位截断误差。该误差是DDS输出散尽可能的主要原因。在设计中，我们

30、使步进为10Hz，取N=23，W=8，即寻址256个字节，其总的信噪比为所产的误差是为可以允许的。（2）相位量化误差。由于我们的波形是通过一系列有限的离散采样点表示的，这就不可避免地引入了相位量化误差，增加采样点数可以减少这种误差。2幅值量化误差 由于RAM中存储的数据字长和D/A位数有限，所以D/A进行幅值量化时会产生幅值量化误差。增加数据字长和位数将可以减少这种误差。3由于D/A变换器的非理想特性引起的误差DAC的非理想特性包括：差分、积分的非线性，D/A转换过程中的尖峰电流，转换速率受限（我们采用高速DAC08，上限工作频率为10MHz）等。4电源噪声 这种随机噪声也会对我们的输出波形产

31、生一定的影响，使输出纹波增大。为减弱这种噪声，一方面，我们可以选择纹波小的电源；另一方面，可以通过电源退耦以减小其影响。5运放带来的误差 由于集成运放自身存在的输入失调电压和输入失调电流的影响，以及运放自身存在的输入失调电压和输入失调电流的影响，以及运放本身增益带宽积与上升速率的影响，在输入频率较高时，不可避免地带来相位失真。尽管上述误差是不可避免的，但是通过适当的选取k、fc、N和W值，纹波较小的电源，合适的D/A变换器，并通过多级低通滤波器来平滑台阶，最后所得到的波形完全可以满足题目的要求。我们对该设计方案进行了严格的测试，其结果是：输出正弦波不失真频率范围完全达到并超过基本要求5 系统测

32、试5.1 测试使用的仪器测试使用的仪器设备如表5.1.1所示。表5.1.1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1QGB-3B高频毫伏表1上海无线电仪器厂2BT3C-A型-VHF频率特性测试仪1南京无线电仪器厂3爱使牌AS1051S高频信号发生器1上海爱使电子仪器厂4SP3165A型系列等精度频率计数器1南京盛普电子实业有限公司5YB4363双踪示波器1江苏扬中电子仪器厂6DF4121A自动失真仪1宁波中策电子有限公司7UNI-T数字万用表1胜利公司5.2 指标测试和测试结果5.2.1 输出频率范围和稳定度的测试采用南京盛普电子实业有限公司的SP-1500A型系列等精度频率计数器来测

33、量频率稳定度。设定标称频率为5MHz，以30s为单位测量不同时间的频率值并记录。同时测量最小和最大的输出频率，看该频率能稳定在哪个范围之内。表5.2.1为记录表格。频率稳定度的计算公式如下。 式中A为频率稳定度，为实测频率，为标称频率。表5.2.1 输出频率范围及稳定度记录表标称值（MHz）实测频率（MHz）平均值稳定度00s30s60s90s120s150s中心频率66.000016.000016.000026.000016.000016.000016.0000110-5最小频率11.000011.000011.000011.000021.000011.000021.0000110-5最大频

34、率1010.0000110.0000110.0000110.0000110.0000110.0000110.0000110-55.2.2 输出频率范围和稳定度的测试用示波器来测量正弦波频率，以1M为步进变化时的输出电压峰峰值、并计算其精度。见下表5.2.2。表5.2.2 输出频率稳定度记录表振荡频率（MHz）12345678910平均值Vp-p(V)6.06.16.056.086.16.06.16.16.16.16.096 结束语DDS正弦信号发生器可以实现以下功能：（1）正弦波输出频率范围：1kHz15MHz。（2）具有频率设置功能，频率步进100Hz或其它任意值；（3）输出信号频率稳定度：优于10-4；（4）