采用频率合成技术实现高精度高频数控函数信号发生器的设计

引言

直接数字频率合成技术(Direct Digital FrequencySynthesis ,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014fosc内。可见当AD9852 参考时钟频率为时，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和AD9852 的控制。

由于AD9852 使用CMOS 工艺， 供电电压是而单片机使用的是TLL 电平，所以要在电路与CMOS 电路之间进行电平转换。该系统选择了作为5 V 逻辑电平到313 V 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、Outp ut 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 48b频率控制字的处理

由于单片机C 语言中数据运算最多为32b ,如单精度Float 型、Long长整型，而Double虽是64b，但编译时出错故将介绍一种在单片机中计算频率控制字的方法。

在该设计中取参考时钟频率fosc为300MHz ,在的原理中介绍了输出频率的计算方法为：

在计算频率控制字时采用分割法，通过所需输出频率高低来分割，并引入了临界频率fL的概念。

首先将48b频率控制字分割成16b+32b,使前面的16b都为0,则FTW=232时的fo为临界频率其值为当fo≤fL1时，频率控制字计算公式为当fo>fL1时，通过把48b频率控制字分成令最前面的8b和最后面的8b 等于0 ,引入临界频率fL2,可由算式(1)计算得到当fL1

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。