DDS技術(shù)的原理介紹及用其和單片機(jī)進(jìn)行嵌入式信號(hào)源的設(shè)計(jì)

信號(hào)源是指收音頭、高頻頭、錄音卡座、錄像卡座等器件。微機(jī)及輔助設(shè)備完成信號(hào)的提取、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理等功能。信號(hào)源是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。雷達(dá)系統(tǒng)常常要求信號(hào)源穩(wěn)定、可靠、易于實(shí)現(xiàn)、具有預(yù)失真功能，信號(hào)的產(chǎn)生及信號(hào)參數(shù)的改變簡(jiǎn)單、靈活。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，是用來(lái)產(chǎn)生各種電子信號(hào)的儀器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的RC或LC自激振蕩器方式的信號(hào)源組成較繁雜，調(diào)試較困難，不易實(shí)現(xiàn)程控，已不能適應(yīng)新的要求；而由采用專用IC芯片構(gòu)成的信號(hào)發(fā)生器。另外，采用FPGA+D/A可實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)；但當(dāng)輸出高頻信號(hào)時(shí)，需要高速D/A來(lái)配合工作，成本較高。頻率合成與鎖相技術(shù)的應(yīng)用，可獲得高精度的信號(hào)源。目前，頻率合成技術(shù)是研制信號(hào)源的最關(guān)鍵技術(shù)。

該設(shè)計(jì)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(jī)配合，可輸出精確控制的正弦波和方波信號(hào)。AD9850是AD公司推出的低功耗直接數(shù)字頻率合成器芯片，可以產(chǎn)生從直流到62.5 MHz的寬頻率信號(hào)，從投放市場(chǎng)至今已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、低功耗頻率源中；MSP430是TI公司開(kāi)發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，該設(shè)計(jì)將AD9850與MSP430F149結(jié)合提出一種具有較高性價(jià)比和集成度、低功耗的嵌入式信號(hào)源設(shè)計(jì)方案。在控制流程中，通過(guò)4x 4矩陣鍵盤設(shè)定頻率值，MSP430為AD9850計(jì)算頻率控制字，并且將頻率控制字通過(guò)串行方式寫入其中，結(jié)合鍵盤上步進(jìn)調(diào)節(jié)增量"1 Hz","10 Hz","100 Hz"鍵，使得頻率可以精確到步長(zhǎng)為1 Hz的調(diào)節(jié)；產(chǎn)生正弦波時(shí)，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除信號(hào)的高頻分量，通過(guò)增益可調(diào)的寬帶放大器放大輸出所需信號(hào)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 DDS技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)

DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。時(shí)鐘頻率給定后，輸出信號(hào)的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線位數(shù)，幅度量化噪聲取決于ROM的數(shù)據(jù)位字長(zhǎng)和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。DDS有如下優(yōu)點(diǎn)：⑴頻率分辨率高，輸出頻點(diǎn)多，可達(dá)個(gè)頻點(diǎn)（N為相位累加器位數(shù)）；⑵頻率切換速度快，可達(dá)us量級(jí)；⑶頻率切換時(shí)相位連續(xù)；⑷可以輸出寬帶正交信號(hào)；⑸輸出相位噪聲低，對(duì)參考頻率源的相位噪聲有改善作用；⑹可以產(chǎn)生任意波形；⑺全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。DDS信號(hào)發(fā)生器通過(guò)改變相位增量寄存器的值△phase（每個(gè)時(shí)鐘周期的度數(shù)）來(lái)改變輸出頻率。每當(dāng)N位全加器的輸出鎖存器接收到一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，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(chǔ)器的一個(gè)尋址地址，該地址對(duì)應(yīng)波形存儲(chǔ)器中的內(nèi)容就是一個(gè)波形合成點(diǎn)的幅度值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬值輸出。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字，使波形存儲(chǔ)器的地址處于所合成波形的下一個(gè)幅值點(diǎn)上。最終，相位累加器檢索到足夠的點(diǎn)就構(gòu)成了整個(gè)波形。合成信號(hào)的波形取決于ROM表中的幅度序列，通過(guò)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(jì)算公式為：

式中：fo為輸出正弦波的頻率；fo為系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率；FSW為頻率控制字；N為相位累加器的字長(zhǎng)，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(hào)頻率能超過(guò)時(shí)鐘頻率的50 %,在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證信號(hào)的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時(shí)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(zhǔn)時(shí)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(hào)源采用DDS專用芯片AD9850產(chǎn)生正弦信號(hào)。AD9850采用CMOS工藝，其功耗在3.3 V供電時(shí)為155 mW,擴(kuò)展工業(yè)級(jí)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(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。AD9850支持的時(shí)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(jì)算出在125 MHz時(shí)鐘輸入時(shí)分辨率為0.021 9 Hz,該設(shè)計(jì)中選用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式（2）計(jì)算得0.006 9 Hz.

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用MSP430F149對(duì)DDS進(jìn)行控制構(gòu)成方波正弦波信號(hào)源的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

該信號(hào)源由MSP430F149單片機(jī)、DDS芯片AD9850、低通濾波器（LPF）、4×4軟鍵盤、1602液晶顯示屏和外部參考時(shí)鐘源、寬帶放大器和穩(wěn)壓電源等組成。其中，低通濾波器是信號(hào)源中的關(guān)鍵器件，負(fù)責(zé)濾除正弦輸出信號(hào)中的高頻、雜散信號(hào)和諧波信號(hào)；穩(wěn)壓電源的+5 V電壓經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后為MSP430和AD9850提供+3.3 V的電源電壓；外部參考時(shí)鐘源選用30 MHz有源晶振，MSP430F149與AD9850采用串行通信方式連接。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

MSP430是德州公司新開(kāi)發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH 的單片機(jī)，由于其性價(jià)比和集成度高，受到廣大技術(shù)開(kāi)發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K,還可以外擴(kuò)展存儲(chǔ)器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，支持8M 的時(shí)鐘。由于為FLASH型，則可以在線對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實(shí)用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對(duì)環(huán)境和人體的輻射小，測(cè)量結(jié)果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境，適合與做手柄之類的自動(dòng)控制的設(shè)備。

該信號(hào)源選用MSP430F149作為核心控制器，為了節(jié)省I/O資源，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展，MSP430與DDS芯片AD9850之間采用串行通信方式，接口電路如圖3所示。AD9850與外圍元件的硬件連接圖如圖4所示，AD9851的正弦輸出信號(hào)端IOUT接至外部的低通濾波器，濾除高頻雜散和諧波后，一路信號(hào)經(jīng)過(guò)寬大放大器AD811放大后輸出需要的正弦信號(hào)，另一路再回接到AD9851內(nèi)部比較器的正向輸入端（VINP）以得到方波信號(hào)。其中：DGND為數(shù)字地；AGND為模擬地；VCC為模擬部分的電源電壓；VDD為數(shù)字部分的電源電壓。D7,FQ_UD,W_CLK,RESET分別接至MSP430的P3.0,P3.1,P3.2,P3.3上。為降低噪聲信號(hào)對(duì)放大器的影響，在低通濾波器與寬帶放大器之間接一級(jí)高速電壓跟隨器隔離，AD9850的輸出信號(hào)峰峰值為1~2 V,為增大AD9850輸出信號(hào)幅值，采用單位增益帶寬為140 MHz,Sr=2 500 V/μs的高速寬頻帶運(yùn)放AD811進(jìn)行信號(hào)放大，并且通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電阻來(lái)改變?cè)鲆?，從而調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅度。放大電路的最大放大倍數(shù)，可以滿足一般的應(yīng)用需求。

1.4 低通濾波器設(shè)計(jì)

對(duì)于不同濾波器而言，每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí)，它有時(shí)被稱為高頻剪切濾波器，或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的hiss濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acousticbarriers）、圖像模糊處理等等，這兩個(gè)工具都通過(guò)剔除短期波動(dòng)、保留長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)提供了信號(hào)的平滑形式。低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)平均數(shù)（movingaverage）所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫?yàn)V波器。DDS的雜散主要以下三個(gè)方面：

（1）ROM幅度量化誤差：相位轉(zhuǎn)化為幅度，是通過(guò)尋址ROM實(shí)現(xiàn)的，然而ROM地址中存有的波形幅度值字長(zhǎng)是有限的，ROM存儲(chǔ)能力有限而引起的舍位誤差就是幅度量化誤差；

（2）相位截?cái)嗾`差：為了提高DDS的精度，DDS的相位累加器位數(shù)都取得非常大，但ROM的容量是有限的，因此只利用相位累加器的高M(jìn)位ROM尋址，其低（N-M）位被截?cái)?。由此引入的截?cái)嗾`差是DDS雜散的主要；

（3）DAC的轉(zhuǎn)換誤差，即DAC中非線性引起的轉(zhuǎn)換誤差：DAC有限的分辨率、非線性特性以及轉(zhuǎn)換過(guò)程中出現(xiàn)的尖峰脈沖均會(huì)導(dǎo)致頻譜質(zhì)量變壞。因此，低通濾波器的使用是非常必要的，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)DDS的技術(shù)指標(biāo)。

巴特沃斯濾波器是濾波器的一種設(shè)計(jì)分類，其采用的是巴特沃斯傳遞函數(shù)，有高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波器類型。切比雪夫?yàn)V波器也是濾波器的一種設(shè)計(jì)分類，其采用的是切比雪夫傳遞函數(shù)，也有高通、低通、帶通、高阻、帶阻等多種濾波器類型。同巴特沃斯濾波器相添加圖片比，切比雪夫?yàn)V波器的過(guò)渡帶很窄，但內(nèi)部的幅頻特性卻很不穩(wěn)定。但是其過(guò)渡帶下降迅速，過(guò)渡帶很窄。在該系統(tǒng)中，為了使輸出信號(hào)頻率最高10 MHz時(shí)能夠最低程度地降低AD9850外部系統(tǒng)時(shí)鐘30 MHz的干擾，采用具有較窄過(guò)渡帶特性的橢圓濾波器，并采用7階橢圓低通濾波。根據(jù)系統(tǒng)要求，輸出信號(hào)的頻率可達(dá)10 MHz,設(shè)定其通帶為10 MHz,且7階濾波具有下降速度更快的過(guò)渡帶，可以有效地濾除10 MHz以上的高頻干擾?？紤]到實(shí)際的橢圓濾波器設(shè)計(jì)與理論分析是有所不同的，在此使用Multisim 9經(jīng)行仿真后得出橢圓濾波器的具體參數(shù)。橢圓低通濾波器的電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要分為菜單操作和頻率控制值計(jì)算兩部分。在系統(tǒng)中通過(guò)外接4×4軟鍵盤輸入設(shè)定頻率和調(diào)整步進(jìn)。一共16個(gè)按鍵，不同的按鍵代表著不同的數(shù)字和功能，除了正常的10個(gè)數(shù)字鍵0~9外，為了方便頻率值的輸入，還設(shè)計(jì)了菜單鍵、刪除鍵、步進(jìn)一、步進(jìn)十、確認(rèn)鍵、輸出鍵等功能鍵。通過(guò)輸入0~9數(shù)字鍵，輸入設(shè)定頻率；按下確認(rèn)鍵，輸出相應(yīng)頻率的波形；按下菜單鍵，可根據(jù)需要按下1,2,3數(shù)字鍵，分別選擇1 Hz,10 Hz,100 Hz三個(gè)檔位的頻率步進(jìn)；按下確認(rèn)鍵，此后按下步進(jìn)+、步進(jìn)一即可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行頻率的步進(jìn)調(diào)整；欲重新設(shè)定頻率只需按下刪除鍵，再次輸入預(yù)設(shè)的頻率即可。

該系統(tǒng)中單片機(jī)與AD9850采用串行通信方式連接。其中，頻率控制字的計(jì)算：AD9850的時(shí)鐘信號(hào)采用30 MHz,根據(jù)式（1）得：

式中：fo為從鍵盤上輸入的頻率值。式（3）計(jì)算的結(jié)果在不影響精度的情況下舍去小數(shù)部分，轉(zhuǎn)換為32位的頻率控制字。AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠（PowerDown）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過(guò)并行方式或串行方式輸入到AD9850.實(shí)際應(yīng)用中，工作方式選擇位通常設(shè)定成00,該系統(tǒng)中AD9850的40位控制字高8位設(shè)置為00H.串行接口方式下需滿足的時(shí)序關(guān)系為：在W_CLK的上升沿，引腳D7上的數(shù)據(jù)自最低有效位開(kāi)始逐位串行移人輸入寄存器，40位數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后，任何W_CLK上升沿到來(lái)，都會(huì)造成數(shù)據(jù)順序移出并導(dǎo)致原來(lái)數(shù)據(jù)無(wú)效。此時(shí)，F(xiàn)Q_UD端的上升沿將40位數(shù)據(jù)裝入頻率/相位控制寄存器，更新芯片的輸出頻率和相位，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器，等待下一組新數(shù)據(jù)的寫入。AD9850的控制字串行輸入時(shí)序圖如圖6所示。

該系統(tǒng)的總程序框圖如圖7所示，程序開(kāi)始后，運(yùn)行初始化程序，包括初始化單片機(jī)MSP430F149、初始化AD9850、初始化液晶顯示模塊1602等。然后掃描鍵盤狀態(tài)，檢查到有鍵按下就運(yùn)行鍵值處理程序，對(duì)按鍵值進(jìn)行查表處理，之后執(zhí)行相應(yīng)的子程序。輸入的信號(hào)相關(guān)信息通過(guò)運(yùn)行液晶顯示程序，在LCD上顯示正確的輸入數(shù)據(jù)和提示字符。在按下確認(rèn)鍵后，MSP430F149計(jì)算出所需信號(hào)的數(shù)據(jù)或控制命令，將其傳送到AD9850,輸出最終信號(hào)。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的實(shí)際性能，在完成所有設(shè)計(jì)后，使用HDSTO22M型示波表對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到下列性能指標(biāo)：輸出信號(hào)頻率范圍為1 Hz~10 MHz;步進(jìn)調(diào)整為1 Hz,10 Hz,100 Hz三檔步進(jìn)；失真度無(wú)明顯失真；輸出電壓峰峰值為1~10 V;頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4.

4 結(jié) 語(yǔ)

在此給出一種基于DDS芯片AD9850和MSP430F149單片機(jī)的嵌入式信號(hào)源設(shè)計(jì)方法，該信號(hào)源可輸出頻率范圍為1 Hz~10 MHz的正弦波和方波，且具有頻率設(shè)定1 Hz,10 Hz,100 Hz多檔步進(jìn)調(diào)整和幅度調(diào)節(jié)的功能?？梢酝ㄟ^(guò)按鍵進(jìn)行頻率值設(shè)定，并有LCD顯示波形的頻率等信息，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在1 Hz~10 MHz頻率范圍內(nèi)，得到的正弦波方波信號(hào)具有頻率穩(wěn)定性好，頻率準(zhǔn)確度高及頻率分辨率高等特點(diǎn)。

該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：將DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機(jī)結(jié)合，提出了具有較高性價(jià)比和集成度、低功耗的嵌入式信號(hào)源設(shè)計(jì)方案；并且AD9850與MSP430F149采用串行連接方式，節(jié)省單片機(jī)的I/O資源，便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和產(chǎn)品升級(jí)。該信號(hào)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(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于日常教學(xué)和科研工作中，如果再經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將具有良好的市場(chǎng)前景。