基於DDS技術的程式控制信號源設計

    近年來，隨著直接數字頻率合成技術(direct digital frequency synthesis，簡稱DDS)的發展，基於DDS技術的合成信號發生器，在正弦信號源的設計與使用中日益廣泛．它與以往的射頻信號源、鎖相信號源和模擬頻率合成信號源相比較，其頻率解析度高，指定頻率的重複性好，而且易於程序控制．DDS技術的原理主要是通過相位與幅度的對應關係實現的，由於不同的控制字對應相位累加器中不同的相位累加速度，用此速度從正弦幅值表中進行查詢，獲得指定的幅度序列，最後通過數模轉換輸出．

1 AD9851的主要功能特點
    AD9851是AD公司採用先進的DDS技術生產的高集成度的DDS晶元，它的內部具有高速、高性能的D/A轉換器和高速比較器，可作為全數字編程式控制制的頻率合成器和時鐘發生器．外接參考頻率時，AD9851可以產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可控制的穩定度極高的模擬正弦波，這個正弦波可以作為信號源，直接輸入其內部高速比較器並轉換為方波輸出．
    AD9851系統功能原理圖如圖1所示，AD9851引腳圖如圖2所示．
 
圖1 AD9851內部結構圖
 
圖2 AD9851引腳圖
    AD9851內部的控制字寄存器首先寄存來自外部的頻率、相位控制字，相位累加器接收來自控制字寄存器的數據后，決定最終輸出信號頻率和相位的範圍及精度．然後再經過內部D/A轉換器，得到最終的數字合成信號．如果相位累加器的位數為N，相位控制字的值為F_N，頻率控制字的位數為M，頻率控制字的值為F_M，參考時鐘乘法器使能為系統外部參考時鐘，頻率為30 MHz，6倍頻，經過內部6倍參考時鐘乘法器后，可得到AD9851內部工作時鐘Fc為180 MHz，此時最終合成信號的頻率可由公式(1)來決定，合成信號的相位由公式(2)來決定．
F= F_MF_C/2^M        (1)
θ=2πF_N/2^N        (2)

2 AD9851的控制方式
    AD9851內部有5個輸入寄存器，儲存來自外部數據線(D0～D7)的32位頻率控制字、5個相位控制字、1位6倍參考時鐘倍乘器使能控制、1位電源休眠功能(powerdown)控制及一位邏輯0．寄存器接受數據的方式有并行輸入和串列輸入兩種方式．并行輸入方式(見圖3)是通過D0～D7 8位數據線來完成40位控制數據的輸入．複位信號RESET有效，會使輸入數據地址指針指向第一個輸入寄存器，WCLK信號上升沿寫入第一組8位數據，並把指針指向下一個輸入寄存器，連續5個WCLK上升沿，即可完成40位控制數據的輸入，FQ-UD信號上升沿后40位數據，從輸入寄存器被寫入頻率和相位控制寄存器，更新DDS的信號輸出頻率和相位．
 
圖3 并行輸入方式時序圖

3 AT89S52控制AD9851的電路設計
    AD9851的數據可直接與多種單片機相連，本研究採用的單片機為Atmel公司的AT89S52，圖4為AT89S52和AD9851的介面框圖．AT89S52是一個低功耗、高性能CMOS 8位單片機，片內含8kBytes ISP(In-system programmable)的可反覆擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件採用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術製造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，晶元內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元．
 
圖4 AT89S52和AD9851的介面電路圖
    鍵盤控制電路是由AT89S52 P1口的P1.0～P1.7和P3口的P3.4～P3.7利用鍵盤查詢方式採集8×4鍵盤陣列輸入的控制信號；顯示電路由P3.0(RXD)作串列信號輸出、P3.1作時鐘信號輸出，控制6組74HC164和數碼管；AT89s52將鍵盤輸入的信號頻率和相位值轉換為5×8B控制字，利用并行輸入方式(如圖3)輸入給AD9851，AD9851首先輸出頻譜純正的正弦波，經VINP進入AD9851的內部高速比較器，再由VOUTP輸出穩定性好的方波．方波信號可由相應的轉換電路得到頻率連續可調的三角波、鋸齒波、脈衝等．

4 AT89S52控制AD9851的程序設計
    整個系統電路的程序設計採用模塊化的C程序設計，系統主程序流程如圖5所示．
 
圖5 系統主程序流程圖
    首先為系統設置一系列初始值，再利用查詢方式掃描鍵盤輸入的一系列信號的頻率和相位值，儲存到指定的存儲單元，經不同演算法轉換成AD9851和顯示電路所需要的數據格式並儲存起來，AT89S52接受到鍵盤輸入的顯示信號和向AD9851輸出指令后，啟動顯示和輸出程序模塊，使AD9851產生響應的信號輸出．

5 結束語
    從程式控制信號源硬體電路和它的軟體編程的實際效果來看，其工作可靠、效果良好、換頻速度快，既滿足了高穩定度、高精度、高解析度的要求，又有價格低廉、體積小的特點，AD9851晶元輸出頻率可達數十MHz．為了盡量少地佔用單片機的資源，單片機與AD9851的數據傳送方式也可採用串列方式．