基于DDS的高精度函数信号发生器的研制

摘要：基于直接数字频率合成技术(DDS)，采用单片机实现对DDS芯片AD9852的控制，提出一种高精度函数信号发生器的实现方案。重点介绍了单片机与AD9852的硬件接口电路、整个系统的软件设计以及单片机中对48 b频率控制字的处理方法。此方法在单片机程序设计中处理多于32 b的整型数据时具有借鉴意义。此系统具有高频率、高精度的主要特
点，且控制灵活方便，具有广阔的应用前景。
关键词：DDS；AD9852；频率控制字；信号发生器

    直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。DDS技术具有相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高等优点，广泛用于高精度频率合成和任意信号发生。本文采用单片机控制DDS芯片，设计实现了一种高精度多波形的信号源。

1 DDS原理
    DDS的基本结构包括：相位累加器、正弦查询表、数模转换器(DAC)及低通滤波器等。DDS原理如图1所示。

    图1中信号输出频率和参考时钟频率的关系表达式为：

   
其中：fo为输出频率，fosc为参考时钟频率，FTW为频率控制字，N为频率控制字的位数。由于N是一个固定值，那么只要改变FTW的大小就能得到所需要的频率值，而且频率的分辨率由N值决定，当N值越大则分辨率越高。由Nyquist取样定理可知，要恢复理想波形，在理想低通滤波器的条件下，输出频率必须小于时钟参考频率的用50％，即fo<1／2fosc，若超过这个范围，则一阶镜像频率就会落在Nyquist带宽内。而实际的LPF都有一个过渡带的问题，所以为了更好地去除一阶镜像带来的杂散，一般将DDS的输出频率限制在O．4fosc内。可见当AD9852参考时钟频率为300 MHz时，完全可以满足输出频率为50 MHz的设计要求。

2 系统设计
2．1 硬件设计
    系统设计原理如图2所示。该设计选用单片机AT89C55作为控制核心，其与DDS芯片AD9852之间采用并口通信方式。单片机P1口作为LCD液晶显示的数据总线，P0口用于AD9852地址总线和并口传输的数据总线，使用锁存器74ALS573实现P0口复用，74ALS573锁存输出的六位数值为AD9852内部寄存器的地址。P2和P3口作为控制口用于键盘芯片HD7279和AD9852的控制。

    由于AD9852使用CMOS工艺，供电电压是3．3V，而单片机使用的是TLL电平，所以要在TLL电路与CMOS电路之间进行电平转换。该系统选择了74LVTl6245作为5 V逻辑电平到3．3V逻辑电平的转换器件。所需要输出的频率可通过按键设定得到，进行的操作同时在液晶上进行显示。AD9852内部系统时钟频率由外部有源晶振倍频得到。
    由于AD9852的内部没有低通滤波器，因此经过内部余弦DAC输出的扫频信号不可避免地含有高频噪声，所以信号输出端口需外接低通滤波器抑制高频干扰。该设计采用七阶椭园函数滤波器。七阶椭圆滤波器电路图如图3所示。

2．2 软件设计
    软件设计主要分为菜单操作和频率控制值计算两部分。不同的按键代表着不同的数字和功能，除了正常的10个数字键0～9外，为了方便频率值输入，还设计了左右移动键、删除键、Output确认输出键等功能键。相应的数值如频率、相位、幅度输入完成后按Output输出键，即产生相应的信号输出。整体软件设计流程图如图4所示。

2．3 48 b频率控制字的处理
    由于单片机C语言中数据运算最多为32 b，如单精度Float型、Long长整型，而Double虽是64 b但Keil C编译时出错，故将介绍一种在单片机中计算48 b频率控制字的方法。
    在该设计中取参考时钟频率fosc为300 MHz，在DDS的原理中介绍了输出频率的计算方法为：

   
    那么根据式(1)就能推导出计算频率控制字的表达式：

    
    当fo≤fL1时，频率控制字计算公式为：
    FTW=(248*fo)／300 000 000△938 249．922 369*fo
    当fo>fL1时，通过把48 b频率控制字分成8 b+32 b+8 b，令最前面的8 b和最后面的8 b等于O，引入临界频率fL2，可由算式(1)计算得到：

    fL2=300000000*2 40/2 48△1.17172MHz
   当fL1<fo≤fL2时，得到频率控制字计算公式为：FTW=(240*fo)／300 000 000△3 665．038 759*fo最后当fo大于fL2，即把后16 b定为0，这时式(1)中N=32，则频率控制字计算公式为：

   
    此时频率分辨率为(300 000 000*216)／248△0．07 Hz。同理可得当输出频率小于fL1、大于fL1小于fL2时分辨率分别为1．07e一6 Hz和2．73e一4 Hz，本方案设计为输出频率低于1 MHz时分辨率为O．001 Hz，高于1 MHz时分辨率为O．1 Hz。由上可见此方法合理有效，解决了单片机48 b频率控制字算法，同时也达到了很高的频率分辨率和精确度。

3 结 语
    针对目前市场上的函数发生器存在的频带范围窄、精度不高、准确度低、频谱纯度差等缺点，设计了一款高精度高频数控函数信号发生器，该函数发生器具有频带范围宽、精度高、频谱纯度好、频率输出稳定等优点。经测试频率范围可以达到50 MHz，频率分辨率为0．001 Hz，并可以产生正弦波、FSK与BPSK波形。可应用于日常教学与科研工作中，在晶体滤波器测试、复杂通信系统测试、音频系统测试、高性能视频测试等领域有广泛的应用前景。