采用頻率合成技術(shù)實現(xiàn)高精度高頻數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

引言

直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital FrequencySynthesis ,DDS）是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。DDS 技術(shù)具有相對帶寬寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高等優(yōu)點，廣泛用于高精度頻率合成和任意信號發(fā)生。本文采用單片機(jī)控制DDS芯片，設(shè)計實現(xiàn)了一種高精度多波形的信號源。

1 DDS原理

DDS的基本結(jié)構(gòu)包括：相位累加器、正弦查詢表、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）及低通濾波器等。DDS 原理如圖1所示。

圖1 中信號輸出頻率和參考時鐘頻率的關(guān)系表達(dá)式為：

其中：fo為輸出頻率， fosc為參考時鐘頻率，F(xiàn)TW為頻率控制字，N為頻率控制字的位數(shù)。由于N是一個固定值，那么只要改變FTW的大小就能得到所需要的頻率值，而且頻率的分辨率由N值決定，當(dāng)N 值越大則分辨率越高。由Nyquist 取樣定理可知，要恢復(fù)理想波形，在理想低通濾波器的條件下，輸出頻率必須小于時鐘參考頻率的用50% ,即fo<1/2fosc,若超過這個范圍，則一階鏡像頻率就會落在Nyquist 帶寬內(nèi)。而實際的LPF都有一個過渡帶的問題，所以為了更好地去除一階鏡像帶來的雜散，一般將DDS 的輸出頻率限制在014fosc內(nèi)?？梢姰?dāng)AD9852 參考時鐘頻率為時，完全可以滿足輸出頻率為50 MHz的設(shè)計要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計原理如圖2 所示。

該設(shè)計選用單片機(jī)作為控制核心，其與DDS 芯片AD9852之間采用并口通信方式。單片機(jī)P1口作為LCD 液晶顯示的數(shù)據(jù)總線，P0口用于AD9852地址總線和并口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線，使用鎖存器74ALS573 實現(xiàn)P0口復(fù)用，74ALS573鎖存輸出的六位數(shù)值為AD9852 內(nèi)部寄存器的地址。P2和P3口作為控制口用于鍵盤芯片和AD9852 的控制。

由于AD9852 使用CMOS 工藝， 供電電壓是而單片機(jī)使用的是TLL 電平，所以要在電路與CMOS 電路之間進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)選擇了作為5 V 邏輯電平到313 V 邏輯電平的轉(zhuǎn)換器件。所需要輸出的頻率可通過按鍵設(shè)定得到，進(jìn)行的操作同時在液晶上進(jìn)行顯示。AD9852 內(nèi)部系統(tǒng)時鐘頻率由外部有源晶振倍頻得到。

由于AD9852 的內(nèi)部沒有低通濾波器，因此經(jīng)過內(nèi)部余弦DAC 輸出的掃頻信號不可避免地含有高頻噪聲，所以信號輸出端口需外接低通濾波器抑制高頻干擾。該設(shè)計采用七階橢園函數(shù)濾波器。七階橢圓濾波器電路圖如圖3 所示。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為菜單操作和頻率控制值計算兩部分。不同的按鍵代表著不同的數(shù)字和功能，除了正常的10個數(shù)字鍵0～9外，為了方便頻率值輸入，還設(shè)計了左右移動鍵、刪除鍵、Outp ut 確認(rèn)輸出鍵等功能鍵。

相應(yīng)的數(shù)值如頻率、相位、幅度輸入完成后按輸出鍵，即產(chǎn)生相應(yīng)的信號輸出。

整體軟件設(shè)計流程圖如圖4 所示。

2.3 48b頻率控制字的處理

由于單片機(jī)C 語言中數(shù)據(jù)運算最多為32b ,如單精度Float 型、Long長整型，而Double雖是64b，但編譯時出錯故將介紹一種在單片機(jī)中計算頻率控制字的方法。

在該設(shè)計中取參考時鐘頻率fosc為300MHz ,在的原理中介紹了輸出頻率的計算方法為：

在計算頻率控制字時采用分割法，通過所需輸出頻率高低來分割，并引入了臨界頻率fL的概念。

首先將48b頻率控制字分割成16b+32b,使前面的16b都為0,則FTW=232時的fo為臨界頻率其值為當(dāng)fo≤fL1時，頻率控制字計算公式為當(dāng)fo>fL1時，通過把48b頻率控制字分成令最前面的8b和最后面的8b 等于0 ,引入臨界頻率fL2,可由算式（1）計算得到當(dāng)fL1

3 結(jié)語

針對目前市場上的函數(shù)發(fā)生器存在的頻帶范圍窄、精度不高、準(zhǔn)確度低、頻譜純度差等缺點，設(shè)計了一款高精度高頻數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器，該函數(shù)發(fā)生器具有頻帶范圍寬、精度高、頻譜純度好、頻率輸出穩(wěn)定等優(yōu)點。經(jīng)測試頻率范圍可以達(dá)到50 MHz , 頻率分辨率為并可以產(chǎn)生正弦波、FSK與BPSK 波形?？蓱?yīng)用于日常教學(xué)與科研工作中，在晶體濾波器測試、復(fù)雜通信系統(tǒng)測試、音頻系統(tǒng)測試、高性能視頻測試等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。