【SoCVista】一种基于DDS芯片AD9959的高精度信号发生器

一种基于DDS芯片AL口959的高精度信号发生器 陈嘉佳，等 一种基于DDS芯片AD9959的高精度信号发生器 AHighAccurateSignalGeneratorBasedonDDSChiPAD9959 陈嘉佳 汤志浩 王天麟 (上海大学通信与信息工程学院，上海 20(刃72) 摘 要:随着数字集成电路、微电子技术和EDA技术的深人研究，DDS技术以其有别于其它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。结合DDS的基本原理简要介绍了AI刃959的特性、内部结构和控制应用，并且用Al巧，59配以 C8051FD23单片机实现了一种多种信号模式输出的高精度信号源。对A伪959的控制口线和软硬件实现作了介绍，并且给出了相应 的示意图。测试结果表明，信号源输出频率的分辨率、稳定度和一系列功能完全达到预定的指标。 关键词:直接数字频率合成 信号发生器 单片机 中图分类号:TN609 文献标志码:B A加tract:Withthein一dePth studyondigitalintegratedcircuits，microelectronictechno10群andEDAtechnolOgy，DDSbecome。outstanding in modernfrequency即nthesistechni叨esasitsuni叫esuperior伴rformanc eandfeature sCo:nbiningwiththebasicprmciPleofDDS，thecharac - teristics，intemalstrUc姗 andcontIDl applicationofA刀目959are introduced.onthisbasisall(lwiththeC805lFD23MCU.ahighaccuratesi合 nal sourcewithmuliiPlesi邵almodeoutPutisdesigned.TheA伪959’sco咖 llinesandtheinlplementationof别Jftw峨 朋dh颐lware are intro- duced，andthec， 5即ndingci二uitispresented.Thetestresultind九atesthatfortheoutPut玩四encyofsi，alreso二e.theresolution.sta- bilityandaseriesOffunctionsfullyrealizethescheduledtargets Keywonls:Directdigital触四encysynthesis《DDS) 51即al郎neratorMicrocomputerunit(MCU) 0 引言 随着微电子技术、计算机技术和移动通信技术 的发展，频率合成技术越来越受人们重视。人们利 用频率合成技术，可以从一个频率极其稳定的信号 出发，合成大量高稳定度、高准确度的频率。近年 来，随着集成电路技术的发展，直接数字频率合成 DDS(directdigitalfrequencysynthesis)技术发展迅速。 DDS具有频率分辨率高、范围宽、频率转换快等优 点。 其芯片因体积小、成本低、功耗小、控制灵活的优 点而成为众多 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 者的宠儿。本文采用ADI公司的 DDS芯片AD9959，并配以单片机来实现高稳定度的信 号发生器。 I DDS基本原理 DDS是对高速存储器查表产生的数字形式信号 经过DAC转换成为模拟信号输出的一种技术。正弦 波信号是DDS中比较常用的形式，许多生产DDS芯片 的公司也大多将芯片设计成正弦波输出。 DDS的基本结构原理如图1所示，其中主要包括: 系统时钟、相位累加器、正弦查询表、DAC数模转换器 和低通滤波器。 相位累加器 修改稿收到日期:2仪场一12一肠。 第一作者陈嘉佳，女，1982年生，现为上海大学通信与信息学院在读 硕士研究生;主要研究方向为微弱信号检测。 图I DDS原理图 Fi各I PrincipleofDDS 系统时钟用于各器件的同步。为了提高系统的稳 定性，系统时钟应选用高稳定度的频标源，一般可选用 高稳定度的石英晶体振荡器，若需要更高的精准度，可 选用伽原子振荡器、艳原子振荡器、氢原子振荡器等， 但价格相对较贵。 相位累加器由一个加法器和一个相位寄存器组 成。相位累加器对应每个时钟脉冲累加一次，每次累 加的量由频率控制字fc，来决定，然后将累加后得到的 结果存人相位寄存器中，相位范围为0一2二，每个时钟 周期内相位累加器以二进制形式去正弦查询表里寻 址，正弦查询表里存放的是一张相位信息与数字化正 弦幅度相对应的表，正弦查询表输出的数字化正弦波 形再经过DAC转换为正弦阶梯信号，最后通过低通滤 波器就可以得到一个完美的正弦信号。经过2勺关，个 PR0CESSAUT0MAn0NINSTRUMENTATI0NVol.28 No.4AP曰 创沁7 一种基于DDS芯片AI]口95，的高精度信号发生器 陈嘉佳.等 时钟后，回到初态(其中N为相位累加器的字长)。 在实际设计中，由于受到成本、ROM容量等的限 制，相位累加器输出的位并不完全用于寻址，通常会截 取高X位用于寻址，低N一X位则无效。这样做会造 成少量的相位误差，但不影响频率的分辨率。 输出的频率是由参考时钟fc、相位累加器字长N 和频率控制字fc，决定的，关系式如下: fo=fcx几/2“ (1) 当fc，=1时，即为频率分辨率:鱿二fc/2“ 根据奈奎斯特准则，在一个周期内至少采样两点， 但在实际设计中一般为了可靠性至少取3一4个点，这 样，最大的输出频率可达到系统频率的丰一李。·，，-。/--，·“，一， ” 一一“ ’份“’‘、，” 4 3. 2 AD9959芯片性能简介 AD9959芯片是AD公司生产的高采样频率、高精 度DDS芯片，其内部结构如图2所示。下面简要介绍 一下它的特点: ① 最大采样频率可达sooMSPS; ② 内含四通道DDS，每通道之间可独立进行频 率、相位、幅度的控制; ③ 具有良好的通道间隔离(>65dB); ④ 线性的频率、相位、幅度扫描能力; ⑤4通道配有各自的robitD/A转换器; ⑥ 每个通道具有犯bit的频率分辨率、巧bit的 相位分辨率以及10bit的幅度分辨率; ⑦ 最多可达16级电平的调制(FSK、PSK、ASK); ⑧ DAC满偏电流可灵活设置; ⑨ 软硬件皆可控制开关; ⑩4一20倍乘可选的系统时钟; ⑩ 可多芯片同步等。 在图2中可看出，由于内部ROM的限制，犯位相 位累加器输出的值取前巧位进行ROM寻址，转换成 10位幅度信号，最后经ro位DAC输出为正弦信号。 刁母一沟墨氢 }_幻 _。么墨氢，32:一心-，甲一 _主一幻一启 } 卜_幻 _。 DDS核粼而而下 甘 尸份 宝尸日 日气墨氢 日日 DAC 电流控制 串行 1110口缓冲4x~20x· 功能寄存器 图2 AD9959内部结构 ri各Z lnternal 内有FO口Buffer，最大可选4bit串行FO口，且 高低位MSB/巧B可选，大大增加了数据的传输量。 输出频率为fo=FTwxfs/232，其中0蛋F，续231， 所以原理上输出频率可在DC一关/2之间变化，且分辨 率可达到ro一’“数量级，但在制作中由于技术等问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 一 般很难达到极限值，所以选片时应留有余量。 《自动化仪表》第28卷第4期 2007年4月 structure of A】刃959 3 硬件电路及软件设计 3.1 硬件电路设计 本次设计的是一个频率范围在0一looMHz的多 功能信号发生器，要求精度在IHz，多形式、多模式调 制可调。 5l 一种基于DDS芯片AI]口95，的高精度信号发生器 陈嘉佳，等 信号发生器的硬件结构图如图3所示，图中的微 处理单元采用C8051，由它来控制显示、键盘以及DDS 芯片AD9959，本次选用单片机C8051功23，工作电压 为2.7一3.6V，此处采用和AD9959一样的电压3.3V， C805lFD23具有 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的8051的端口，每个端口FO引 脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出，且FO的输 出电平接近电源电压，所以负载能力强，在标准8051 中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用 提供了进一步节电的能力，并且引人了数字交叉开关， 大大增加了管脚配置的灵活性，也大大增加了管脚的 资源。内置多种复位模式，增加了程序运行的可靠性。 FsK、PsK、AsK之间切换，“调制模式”选择键一个，可 以在2级调制、4级调制、8级调制、16级调制以及扫 频模式间选择，“确认”键一个，另外留一个备用键。 为了使输出的信号更精确，设计中使用的是高精 度石英频标，频率稳定度在lxlo一”/5。 下面简要介绍一下AD9959 的控制口线，如图5 所示。 图3 硬件结构框图 Fi各3 Structureblockdiagramofhardware 单片机引脚如图4所示。 C80弓IF023 图4 Cs仍1功23引脚图 Fig.4 PinofC805lFD23 图4中:AI、.。一AI、7为ADC的输人端口，Po.。- p3.7为片子的32个Fo口，TDo、TDI、TCK和TMS为 JTAG口线，MONEN为VcCMonitorEnable引脚。 液晶显示屏用来显示当前频率以及调制形式和模 式，频率显示可精确到IHz，键盘为4x5的键盘，其中 有“0一9”十个数字键，“.”键一个，“输人”键一个， “删除”键一个，“+IHz”和“一IHz”微调键两个，“重 启”键一个，“调制形式”选择键一个，可以在不调制、 图5 简要控制口线 Fig5 Schematicofcontrolline 图5中:AD9959支持外部开关;pWR_DWN_CYL 就是这个功能的控制引脚，1为支持外部开关，0为不 支持;cLK_MODE_SEL为外接频率源选择口线，可以 选择接时钟源振荡器(0)或晶振(1);PS。一PS3是调制 形式(不调制、FSK、PSK、ASK)和调试模式(2级调制、 4级调制、8级调制、16级调制以及扫频模式)的控制口 线，具体设置就不一一列出了;SDIO。一SDIO3为数据的 FO口线，其中5班0。只可作为串行口，其他的三根口 线，可以参与其他的控制，每根口线的最高速率是 2(X)MHz，所以最高传输速率可达到4x200=sooMHz， 大大提高了传输速率;FO_UPDATA 为数据传输时的 触发信号;/CS为片选信号;SYNC_CLK是用来同步 AD9959和外围芯片的。 由于整块板子的信号频率比较高，所以在布板的 时候需注意以下几点: ① 为了避免电路中各部分电路之间经公共地线 相互祸合，数字地和模拟地要分开布线，最终一点连 接，这样可以避免数字部分和模拟部分相互影响，由于 高频的集肤效应，地的截面积不应太大。 ② 必须在电源或电源引脚附近加旁路或去祸电 容，并且尽量靠近器件。 ③ 元器件的布局要合理，走线不宜太长，高速器 件要尽量靠近接插件。 3.2 软件设计 单片机的控制程序包括按键程序，输出频率显示 程序，AD9959初始设置程序以及按键指令与AD9959 控制指令间的转换程序。大致程序 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如图6所示， 开始单片机会对AD9959 进行一些初始设置，包括时 INSTRUMENTATIONVol.28 N0.4APril刀沁7 一种基于DDS芯片A刃口959的高精度信号发生器 陈嘉佳，等 钟选择，串口传输模式设置，初始频率输出设置等，初 始输出频率为IMHz，不调制，同时在显示屏上显示频 率和相应的调制模式，等查询到有按键按下时，首先在 显示屏上显示相应按键指令，然后等到确认按键按下 后，才进行相应的指令处理，对AD9959进行改变输出 信号的控制，所以，当确认键不按下时，单片机不会改 变向A伪959传输的控制指令。 候，要注意AD9959的时序问题(分指令周期和数据周 期)，由于速度比较快，所以考虑不周到会容易出错; 其次是各个器件间的协调，由于此次单片机要对三个 部件进行控制，所以程序要流畅简洁可靠性高;再次， 在做显示部分时偶尔会产生花屏现象，为了弥补这一 情况，采用了虚拟帧技术，对屏幕实时刷新，确保显示 正确无误。 3.3 测试结果 经过测试，此系统完全达到初步预定的指标，由于 AE9959良好的性能，在0一100MHz的频率范围内，分 辨率可达到IHz，可以实现ASK、FSK和PSK的多级调 制，并且配有扫频功能，从信号本身来看，纯净度和稳 定度也非常高。 图6 程序流程图 Fi各6 Flowc hartofprogram 对AD9959的控制指令大致为:通道开关(CFR <7:6>)，调制形式选择(CFR<23:22>)，调制模式选 择(FRI(14呀12>)，串口传输模式选择(CSR(2:1>) 等，这些是比较主要的设置位，在软件执行过程中实 时根据要求改变的，另外还有一些设置位，如传输数 据位由低到高或由高到低的设定，扫频时的台阶控 制，输人时钟源的倍频选择等，都在初始化时设定好 了。 还有一些需要注意的地方，首先，在软件编写的时 4 结束语 AD9959芯片是一片性价比比较高的DDS芯片， 速度快，输出波形稳定，频率、相位和幅度皆可控制且 分辨率高，可选多串口数据传送，大大提高了数据传输 速度，由于是4通道设计且各个通道可独立控制，所以 可以满足不同的调制形式，大大扩大了其应用范围，这 是其他很多芯片所不能比拟的。 参考文献 IAoalogDevices A伪959’sDatasheet〔EB/oL」〔2005一07〕.ht- ‘p://WWW·anal，·co耐UP10adedFiles/DalaeesheetS/A卿59·pdf. Z DavidBrandon.DirectDigital勿nthesizersinClocki飞Applications [EB/oL]，[2以拓一02〕，httP://www .analog.co耐UploadedFile犷 APPlication_Notes/304775709741万9213146183lAN823少.pdf· 3 李 毅.基于DDS和PLL的扫频信号源设计【D].南京:南京理 工大学，2005. 4 郭忠海，杨文革 基于DDS的快速跳频源设计【J〕.自动化仪表， 20()6，27(51):69一71，74. (上接第49页) ① 采用下拉式菜单与快捷键相结合的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，方便 地进行一些功能性的操作，如输人用户信息、实验项 目、采集记录数据、保存新测试结果、设置采样频率、打 印采样曲线等。 ② 与单片机通信，发送数据和命令、接收数据和 命令、数据处理。 ③ 动态显示数据和绘制曲线，实时地改变坐标 的单位，最大范围显示曲线(与量程自动转换相吻 合)。 5 结束语 实际应用证明，这套多路数据自动采集系统设 《自动化仪表》第28卷第4期 20(j7年4月 计合理、操作方便，以低成本实现了高要求。整个 系统结构简单、方便、灵活，具有较高的实际应用价 值。 参考文献 1 尤佳宁，方禹之，刘中元.用AVRMEGA16单片机控制实现的数 据采集系统【J〕.化工自动化及仪表，20(沁，33(3):35一38. 2 徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设【M〕.第二版.北京:北 京航空航天大学出版社，20(科. 3 杜伟略.悬挂运动控制系统仁J」无锡职业技术学院学报，20(拓，5 (1):21一23. 4 赵新民.智能仪器设计基础仁M〕.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版 社，2003 5 钟秉翔，李家庆，李 芳，利用单片机技术实现对传感器实验仪 的改造[Jl，自动化仪表，2(X)5，26(11):51一52.