基于DDS技术的正弦信号发生器的设计

基于DDS技术的正弦信号发生器的设计

曾庆秋

广东花城工商高级技工学校  广东省广州市  510850

摘要：基于直接数字合成原理，采用单片机STC89C52RC为主控芯片、以可编程DDS集成芯片AD9851为核心，设计了一个正弦信号发生器，输出正弦波形幅度稳定可调，频率精度优于0.1Hz，最高输出频率可达70MHz。

关键词：DDS；信号发生器；AD9851

引言

信号发生器又称信号源或振荡器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号，在生产实践和科技领域中有着广泛应用。传统的信号源一般采用RC振荡电路、LC振荡电路、石英晶体振荡电路或波形发生集成电路来实现，很难在较宽的频带范围内实现高质量、高频率精度和高稳定性波形的输出，且一般频率调节是通过调节电阻、电感、电容等参数来实现，难于实现高精度和数控调节。利用直接数字合成技术（DDS）设计的波形发生器具有精度高、稳定性好、频率和波形易于控制等优点，因此，DDS技术越来越广泛地得到应用，成为现代频率合成技术的趋势。

本设计采用STC89C52RC单片机为主控芯片、以可编程DDS集成芯片AD9851为核心，设计了一种结构简单、精度较高、便携式的正弦信号发生器。

1 DDS技术简介

DDS是一种运用数字技术来实现产生信号的方法，它从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。它主要由三个部分组成：相位累加器、相位幅度转换、数模转换器（DAC）。其工作原理如图1所示。

图1 DDS工作原理

一个正弦波，虽然它的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的。DDS正是利用了这一特点来产生正弦信号。根据DDS的频率控制字的位数N，把360°平均分成了2N等份。假设系统时钟为Fc，输出频率为Fout。每次转动一个角度360°/2N，则可以产生一个频率为Fc/2N的正弦波的相位递增量。那么只要选择恰当的频率控制字M，使得Fout/Fc=M/2N，就可以得到所需要的输出频率Fout，即Fout=Fc×M/2N。通过相位累加器，得到合成Fout频率所对应的相位信息，然后相位幅度转换器把0°～360°的相位转换成相应相位的幅度值。相位到幅度的转换是通过查表来完成的。代表幅度的二进制数字信号被送入DAC中，并转换成为模拟信号输出。

2 系统硬件电路设计

本系统以单片机STC89C52RC为控制器，以DDS芯片AD9851为技术核心，外围电路包括键盘、液晶显示、低通滤波器等，系统硬件框图如图2所示。

图2 基于DDS技术的信号发生器系统框图

2.1 波形发生电路的设计

正弦信号发生器采用ADI公司的DDS芯片AD9851，其内部含有一个6倍参考时钟的倍乘器，最高时钟频率可达180MHz。为保证参考信号的精度和稳定性，选用了30MHz的有源晶振。频率控制字和相位控制字写入时序有并行和串行两种方式，为了节省资源，本系统采用串行写入方式，进行数据写入时只需三个端口资源。AD9851芯片内部集成有1个32位相位累加器，1个5位的相位调节器，1个10位高速数模转换器，最高时钟频率为180MHz时，输出频率可达70MHz，分辨率为0.04Hz，最小相位调节分辨率为11.25°。

在对AD9851进行写频率控制字时除需要32位频率控制字和5位相位调节值外，还需写入6倍频使能位、掉电位和Logic 0位，合计需要写入40bit（5个字节W0～W4）数据。单片机通过I/O口P2.1～P2.3口依次与DDS的SERIAL LOAD(D7)、WCLK、FQ_UD相连接。WCLK和FQ_UD为控制端口，SERIAL LOAD为数据端口用来串行传输40bit相关数据。

由于AD9851芯片上电复位时默认为并行输入模式，必须通过软件使其进入串行输入模式，初始化加载数据采用硬件实现，即D1、D0接Vcc，D2接地，初始化完毕后对其进行40bit串行数据加载。

2.2输出滤波电路器的设计

滤波器一般分为有源和无源滤波器。有源滤波器由于受到运算放大器带宽的限制，难以满足系统频带内滤波要求，因此本系统采用无源滤波器中的椭圆函数（七阶切比雪夫）滤波器，其电路如图3所示。由AD9851输出的波形，通过滤波器滤波后，可得到质量更好的正弦波。

图3 七阶切比雪夫椭圆滤波器电路图

3 软件程序设计

系统软件程序设计流程图如图4所示。单片机的主要工作是键盘输入、液晶显示、调节正弦波幅度和控制DDS芯片工作状态。上电复位后，初始化液晶显示和中断；单片机对键盘进行扫描，判断是否有键按下，如有则进行下一步处理，否则继续扫描；当确认有键按下时对输入键值进行判断，执行相应操作；最后将频率值送给1602液晶显示器显示。

4 结论

本系统采用DDS芯片AD9851为技术核心，以单片机STC89C52RC为控制器，性价比高，易于实现，且输出正弦波形幅度稳定可调，频率精度优于0.1Hz，最高输出频率可达70MHz，具有广泛的应用前景。

图4 软件设计流程图

参考文献

[1]刘德权，巫开华.基于DDS技术的AVR单片机信号发生器.中国新技术新产品，2019（12），4.

[2]林建英，王涛，王晓迪.基于DDS技术波形发生器的实验教学研究与实施.实验科学与技术，2016（1），75-78.

[3]周遐，金瑞，曹云川.基于DDS技术的高精度数控信号源设计.昆明理工大学学报（理工版），2019.10.

[4]刘昱，史玉玲，柳莹，王小平.基于AD9851的正弦信号发生器设计.电子设计工程，2019.7.

[5]AD公司.AD9851使用手册[Z]，2005.

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