单片机控制DDS芯片设计可控数字频率源

引言

频率合成技术从20世纪30年代末开始建立，迄今为止，已有近70年的历史，频率合成器也已成为电子系统中不可缺少的标准部件。基本的频率合成技术有直接式频率合成（DS）和锁相式频率合成(PLL)等几种。锁相式频率合成又称为间接式频率合成，输出频带宽可达上千兆赫，频率分辨率到赫兹量级，但是由于非线性器件引入的杂波成分较多而且很复杂，所以需要大量的滤波器加以滤除。PLL结构简单、易于集成、输出频带宽、频谱纯度好，但锁相环本身是一个闭环的反馈系统，所以鉴相频率（频率分辨率）与频率转换时间的矛盾难以解决。目前，又出现了多环技术、自适应环路带宽法、小数分频技术和预调VCO法等多种改进技术。

DDS 是20世纪70年代发展起来的一种新的频率合成法，它将先进的数字处理技术和方法引入信号合成领域。DDS以其有别于其他频率合成技术的优越性能和特点，成为现代频率合成技术中的佼佼者。本文介绍了利用这一新的频率合成法，采用了DDS芯片AD9852产生单片机控制的DDS实用电路。

AD9852芯片的简要介绍

AD9852 是具有高集成度的DDS芯片，它使用0.35微米CMOS技术，工作电压为3.3V。AD9852的时钟高达30OMHz，内部含有4～20倍可编程参考时钟倍乘器，使得外部输入频率可以比较低。参考时钟可以单端或差分输入，经过倍乘后得到很高的内部时钟。DDS的核心部件包括双向48位可编程频率寄存器、双向14位可编程相位寄存器和正弦查询表（使其频率分辨率到微赫兹，相位分辨率到0.022°，相位截断到17位）以及12位的高速高性能D/A转换器（使得输出具有良好的动态性能：100MHz输出时具有80dB的SFDR）。Sin (x)/x校正使得在整个奈奎斯特频带输出的平滑度为±0.1dB，内部的高速高性能300M比较器输出的方波可达到3PS RMS的超高速抖动偏差，输出幅度可12位振幅调谐，有可编程的SHAPED ON/OFF KEYING功能。具有单脚FSK和PSK数据接口，单脚HOLD具有线性或非线性FM线性调频功能，还具有自动的双向频率扫描功能。控制接口简单， 10MHz的串行两线或三线外围接口和100MHz的8位并行程序设计接口构成了一个数字可编程的合成器。

当给定一个精确的参考时钟源时，AD9852就会产生一个高度稳定、频率相位幅度可编程的正弦波输出。正弦波还可被内部的比较器转换为方波，用作时钟发生器。AD9852有5种可编程的工作模式,所有参数可通过编程改变或调制，可实现FM、AM、PM、FSK和PSK频率扫描、线性调频脉冲和二相双极性的相位转换键控操作。

DDS电路及系统构成

在设计的系统中，采用比较通用的51系列单片机AT89C51作为系统的控制处理单元。利用P0口和P2口构成显示和键盘接口，显示由一个液晶模块LCD构成，键盘由 0～9及设定和确认键（共12个按键）构成，P1口来完成与AD9852串行数据口的通信和控制。由于AD9852使用COMS工艺，供电电压是+ 3.3V，所以存在TTL电路和CMOS电路的电平转换问题。采用PHILIPS公司的74LVT245B作为+5V电源下的逻辑电平到+3.3V逻辑电平的转换器件。它是三态输出的双向总线收发器，供电电压为+3.3V，延迟时间为2.4ns，可以完成5V的TTL逻辑电平到3.3VCMOS逻辑电平的转换。系统功能如图1所示。

DDS的D/A输出信号经过一个7阶的椭圆函数滤波器滤波后输出纯净的正弦波，再送入到DDS内部集成的高速比较器整形后输出所需要的方波信号，这样可以减少后级电路的触发误差，同时也可以经过滤波器后直接输出正弦信号。系统电路图如图2～4所示。

系统的软件流程

系统的软件流程如图5所示。

在试验中，输入信号频率为10MHz，经过内部倍乘后得到160MHz的内部系统时钟，通过设定键和其他数字键盘就可以输出0～60MHz的任意频率信号。其频率信号的峰峰值为1V，频率分辨率可达到0.001Hz。因为存在电路中其他的干扰和测量仪器的分辨率，利用频谱分析仪可以看到输出的信号经过7阶椭圆函数滤波器后的频谱和杂散噪声特性，10MHz输出时1MHz带宽时谐波分量比信号小60dB，其他的干扰杂散可达到比信号小50dB以上。另外在试验中发现，如果所提供给AD9852的参考时钟源的精度很高，输出信号的频谱噪声特性会更好。值得注意的是，在实际应用中应尽可能采用相位噪声低且杂散和谐波抑制性能好的频率源，并在电路中加入滤波电路。

结束语

本文介绍了DDS芯片 AD9852的原理和特点，设计了单片机控制的DDS电路，试验证明该电路设计正确。利用这一电路，通过键盘输入不同的频率控制字就可以改变输出信号的频率，加上键盘和显示电路就是一个简单的频率合成器，其分辨率可达到0.001Hz。DDS具有许多优点，但是它的输出频率受到奈奎斯特采样定理的限制， fomax≈0.4fsys。由于它内部有时钟倍乘器，可以不受外部输入时钟的限制，但要受到内部时钟和外部低通滤波器的限制。只要内部的工作时钟频率很高，就可以得到很宽的输出频率范围。

参考文献
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