AD9850實現(xiàn)嵌入式信號源設(shè)計

引 言

　　信號源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，在通信、測控、導航、雷達、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應用，而且信號源作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)中的重要工具，必須滿足高精度、高速度、高分辨率、頻率可調(diào)等要求。

該設(shè)計采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，使用DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機配合，可輸出精確控制的正弦波和方波信號。在控制流程中，通過4x 4矩陣鍵盤設(shè)定頻率值，MSP430為AD9850計算頻率控制字，并且將頻率控制字通過串行方式寫入其中，結(jié)合鍵盤上步進調(diào)節(jié)增量“1 Hz”，“10 Hz”，“100 Hz”鍵，使得頻率可以精確到步長為1 Hz的調(diào)節(jié);產(chǎn)生正弦波時，經(jīng)過低通濾波器濾除信號的高頻分量，通過增益可調(diào)的寬帶放大器放大輸出所需信號。如果接到AD9850內(nèi)部的高速比較器上，即可直接輸出一個抖動很小的方波，系統(tǒng)通過字符型液晶屏1602顯示設(shè)定頻率和其他信息。實驗結(jié)果顯示，輸出信號頻率范圍在1 Hz～10 MHz，且無明顯失真;輸出信號頻率實現(xiàn)1 Hz，10 Hz，100 Hz三級步進調(diào)節(jié)，頻率精度0.01 Hz，頻率轉(zhuǎn)換速度1 ms，輸出幅度范圍1～10 V。

該設(shè)計的創(chuàng)新點在于：將DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機結(jié)合，提出了具有較高性價比和集成度、低功耗的嵌入式信號源設(shè)計方案;并且AD9850與MSP430F149采用串行連接方式，節(jié)省單片機的I/O資源，便于系統(tǒng)的功能擴展和產(chǎn)品升級。該信號源具有精度高，頻率范圍寬，頻率輸出穩(wěn)定，體積小，功耗低，控制靈活方便的特點，可廣泛應用于日常教學和科研工作中，如果再經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將具有良好的市場前景。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　1.1 DDS技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)

　　DDS技術(shù)是一種用數(shù)字控制信號的相位增量技術(shù)，具有頻率分辨率高，穩(wěn)定性好，可靈活產(chǎn)生多種信號的優(yōu)點。一個DDS信號發(fā)生器由相位累加器、波形數(shù)ROM表、D/A轉(zhuǎn)換器以及模擬低通濾波器LPF組成，原理框圖如圖1所示。DDS技術(shù)的核心是相位累加器。相位累加器在穩(wěn)定時鐘信號的控制下產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的地址值，隨后通過查表變換，地址值被轉(zhuǎn)化為信號波形的數(shù)字幅度序列，再由數(shù)/模變換器(D/A)將代表波形幅度的數(shù)字序列轉(zhuǎn)化為模擬電壓;最后經(jīng)由低通濾波器將D/A輸出的階梯狀波形平滑為所需的連續(xù)波形。DDS信號發(fā)生器通過改變相位增量寄存器的值△phase(每個時鐘周期的度數(shù))來改變輸出頻率。每當N位全加器的輸出鎖存器接收到一個時鐘脈沖時，鎖存在相位增量寄存器中的頻率控制字就與N位全加器的輸出相加。在相位累加器的輸出被鎖存后，它就作為波形存儲器的一個尋址地址，該地址對應波形存儲器中的內(nèi)容就是一個波形合成點的幅度值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬值輸出。當下一個時鐘到來時，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字，使波形存儲器的地址處于所合成波形的下一個幅值點上。最終，相位累加器檢索到足夠的點就構(gòu)成了整個波形。合成信號的波形取決于ROM表中的幅度序列，通過修改數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生任意波形，如果要產(chǎn)生多種波形，只需把所需的多種波形數(shù)據(jù)存放到波形ROM表中。

　　DDS系統(tǒng)輸出正弦波的頻率計算公式為：

　　式中：fo為輸出正弦波的頻率;fo為系統(tǒng)的時鐘頻率;FSW為頻率控制字;N為相位累加器的字長，頻率控制字與輸出頻率成正比。由取樣定理，所產(chǎn)生的信號頻率能超過時鐘頻率的50 %，在實際應用中，為了保證信號的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時鐘頻率的33 %，以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內(nèi)。

　　DDS的頻率分辨率定義為：

　　由于基準時鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數(shù)決定了頻率分辨率;位數(shù)越多，分辨率越高。

　　該信號源采用DDS專用芯片AD9850產(chǎn)生正弦信號。AD9850采用CMOS工藝，其功耗在3.3 V供電時為155 mW，擴展工業(yè)級溫度范圍為-40～+80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式，AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。AD9850支持的時鐘輸入最高為125 MHz，頻率控制字的位數(shù)為32位。由式(2)可以計算出在125 MHz時鐘輸入時分辨率為0.021 9 Hz，該設(shè)計中選用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式(2)計算得0.006 9 Hz。