基于AT89S52和AD9850多功能信號源設計

摘要：設計了一個以AT89S52為核心控制器件，直接控制兩片DDS芯片AD9850，通過并行控制方式實現(xiàn)的正弦信號發(fā)生器，并且利用差動放大芯片AD830進行正弦信號幅值調節(jié)。該系統(tǒng)具有頻率、相位可變，幅值可調，并且能夠輸出穩(wěn)定的相位差和振幅調制的功能。

隨著科學技術的發(fā)展和測量技術的進步，普通的信號發(fā)生器已無法滿足目前日益發(fā)展的電子技術領域的生產調試需要。而DDS技術是一種新興的直接數(shù)字頻率合成技術，具有頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換相位連續(xù)、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數(shù)字化易于集成、體積小、重量輕等優(yōu)點，因而在雷達及通信等領域具有廣泛的應用前景。

1 DDS的工作原理

AD9850主要由DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)轉換器(DAC)和高速比較器三部分構成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。允許工作的最高時鐘為125 MHz，其原理框圖如圖1所示。

圖1是AD9850的基本原理圖，它有40位控制字，其中有32位的頻率控制字和5位相位控制字，分別用來控制DDS產生的正弦波的頻率和相位。其40位控制字功能描述表如表1所示。

正弦波信號輸出頻率(fout)、參考時鐘頻率(fCLKIN)和頻率控制字(M)之間的轉換公式為：

AD9850在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后就可產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號源或經內部的高速比較器轉換為方波輸出。在125 MHz的時鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的出頻率分辨率達0.0291 Hz;并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或這些值的組合進行調整。

2 系統(tǒng)構成

本文采用了AT89S52型單片機作為核心控制器件，將模擬電源和數(shù)字電源分開，分別對數(shù)字部分AD9850和模擬部分AD830供電。單片機對兩片AD9850分時控制，使用數(shù)控方式對AD9850寫入相位控制字和頻率控制字，使之輸出所需要的相位和頻率。再將輸出的兩路互補電流信號轉換成電壓信號輸入到差動放大芯片AD830中，不僅可以去噪使波形分辨率更高，而且，可以對輸出波形的幅值進行調節(jié)，使之更方便應用。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

2.1 DDS信號產生電路

單片機通過控制芯片上的W_CLK(word load clock)來實現(xiàn)對兩片AD9850分時控制，在實現(xiàn)方法上既可以通過跳線方式將兩片AD9850的W_CLK分別接到單片機I/O口控制，也可以利用總線方式控制。對于其中一片DDS而言，可以通過軟件編程使其實現(xiàn)掃頻、跳頻等功能，也可以通過按鍵、串口等外圍控制來對輸出波形頻率實現(xiàn)控制。對于兩片AD9850同時使用，我們主要是要得到兩個頻率相同，但存在一個穩(wěn)定的相位差的信號源，能夠很好地運用到以后的工程當中。用單片機來實現(xiàn)，這并不是很難，只需要在單片機程序中寫入兩片DDS芯片中的關鍵字中相位控制字不同，頻率控制字相同即可達到這樣的效果。電路原理圖如圖3所示。

當RESET所接電阻為3.9 kΩ時，AD9850最大只能輸出10 mA的電流信號，在實際應用中顯然受到限制，轉換成電壓信號輸出并且幅值可調可以在工程中應用更加廣泛。電路中R2、R3、R13、R14就是下拉一電阻接地使電流信號轉換成電壓信號。

2.2 幅度調節(jié)電路

實驗中選用了差動放大芯片AD830，它的共模電壓范圍很寬，-12 V～+12.8 V，85 MHz的單位增益帶寬，而且它的最大放大倍數(shù)可能達到100。AD9850與AD830的連接圖如圖4所示。

由于AD9850輸出的是電流信號，而AD830輸入的是電壓信號，所以AD9850輸出需要連接一個電阻接地，使之變成電壓信號，本圖中選用的是100 Ω的電阻，這樣輸出為幅值為1 V的電壓信號。同時，AD9850還輸出一個互補信號，將輸出信號和輸出互補信號連接到AD830的X1和X2端，輸出電壓為：

Vout=(V1-V2)(1+R10/R7)

R10為10 k滑動電阻器，這樣就可以對幅值進行調節(jié)。本實驗中采用±5 V電源供電，這樣輸出波形電壓在3.5 V左右波形較好，再高會溢出，導致波形失真。

3 實驗結果

對系統(tǒng)的軟硬件都調試完之后，給系統(tǒng)上電以后，經過示波器就可以測得輸出的正弦波形信號，但是DDS有一個明顯的缺點，最大輸出頻率只能到fCLKIN/2。但本實驗中發(fā)現(xiàn)，當輸出頻率超出fCLKIN/2時，信號波形仍然可以輸出，只是信號是通過幅度調制的形式輸出。 fCLKIN/2信號作為載波信號，溢出fCLKIN/2的部分作為調制信號。如圖5所示。

對于某一單一信號而言，可以通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)得到所需相位和頻率。同時，通過系統(tǒng)編程，可以實現(xiàn)掃頻、調頻等功能。

調節(jié)滑動電阻器可以對輸出信號的幅值進行調節(jié)。當寫入兩片DDS中的頻率字相同，相位字有一定的相位差時，通過示波器就可以測得兩路有固定相位差的信號源。

4 結束語

通過對AD9850的實驗測試證明，本系統(tǒng)采用DDS芯片完全可以實現(xiàn)頻率、相位可變，幅值可調，并且能夠輸出穩(wěn)定的相位差和振幅調制的功能。而且AD9850工作可靠，對參考時鐘波形要求不高，輸出信號穩(wěn)定，信噪比高。此信號源分辨率高、波形失真小、全數(shù)控型函數(shù)信號發(fā)生器，具有一定的實用開發(fā)價值。