基于单片机和DDS的高精度频率信号实现

介绍了专用DDS芯片AD9854的特性和工作原理，叙述了利用该芯片设计高精度频率信号发生器的简易方法，并给出了MCS51系列单片机与AD9854的硬件接口设计和软件编程方法。

关键词：DDS，AD9854，信号发生器

 

高精度的频率信号源对科研、通信系统、电子对抗以及各种电子测量技术十分重要。目前，国内低频信号合成器通常使用多个分立的锁相环元件，电路复杂、价格昂贵、精度低、易受外界环境影响，而且信号的建立时间长而动态范围较小。九十年代迅速发展起来的直接数字合成技术（DDS）将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，优越的性能和突出的特点使其成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS器件采用高速数字电路和高速D/A转换技术，具备了频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程控切换等优点，可以实现对信号的全数字式调制。

1 AD9854芯片介绍

AD9854是美国ADI公司最近推出的单片DDS芯片，简单结构框图如图1所示。它的主要特点为：内部高速、高性能的正交D/A转换器和高速比较器实现数字合成的正交的I和Q路输出。当输入一准确的参考频率，AD9854就产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，作为本机振荡器用于通信、雷达等方面。AD9854的DDS核具有48bit的频率分辨率（1mHz步进），相位截断17bit保证了优良的无杂散动态比（SFDR）指标。

 

 

 

AD9854采用了先进的35微米CMOS技术，使它只需+3.3V的电源供应，它的电路工艺使同步正交信号输出的频率最高达150MHz，平均每秒产生100百万新频率。正弦信号输出经过外部平滑滤波后，可以通过内部比较器转化成方波，用于时钟产生。在高速时钟产生器的应用中，若12bit的“控制”DAC与内部的比较器相结合，能实现脉宽调制和静态周期控制。两个12bit的数字乘法器能实现数字幅度调制、波形成形和正交输出的准确的幅度控制。AD9854中4～20整数倍频器，能把外部输入的低速时钟转变成内部高速时钟（最高300MHz）。参考时钟可以选择单端输入和差分输入。

AD9854合成的信号频率稳定度高，DDS是一个信号波形的合成过程，是以标准参考振荡源的固定时钟作取样时钟，对所需频率的信号进行相位取样，合成信号的频率不同，只反映了一个信号周期内的相位取样的数量不同。合成信号的稳定度直接由参考源的相位噪声决定，甚至还要低。合成信号的稳定度高，理论上可达STCLK/242Hz，这是传统方法难以实现的。频率变化速度快，在AD9854中，由于无需相位反馈控制，因而频率建立及切换快，并且与频率分辨率、频谱纯度相互独立。在芯片中，NCO的相位改变是线性过程，形成的信号具有良好的频谱。此外，由于合成信号的频率、相位、幅度均可由数字信号控制，所以可以通过预置相位累加器的初始值来精确控制合成信号的相位，非常容易实现灵活的高精度的数字调制，如AM、PSK、FSK、MSK等，而且容易实现高精度的正交调制。

2 用AD9854快速开发频率信号发生器的实例

下面给出一种用AD9854开发高精度频率信号发生器的简易方法，开发者只需要熟悉MCS-51单片机编程即可。该系统具有开发周期短，开发成本低的特点，也可以作为探索AD9854功能的一种方法，它的电路原理图见图2。

系统主要由DDS芯片AD9854、单片机AT89C51、看门狗定时器X25045和LED显示驱动芯片MAX7219组成。在这个系统中提供了8位七段LED显示器，其中前五位为输出频率值，显示范围为00.000～99.999MHz，后三位为幅度显示位，显示范围为0～999，表示幅值从零幅度到满幅度的变化。

 

 

 

对AD9854进行初始化控制时，首先，主复位脚（71脚）必须置高10个系统周期以上，主复位的作用是初始化系统总线，置控制寄存器以缺省值。在系统中，用MCS-51系列单片机对AD9854进行控制，软件流程图如图3所示。实现并行写时序时序图如图4所示，可以使用以下语句：

        MOV p0，#10h
MOV A，#1DH
ADD A，#40H
MOV P2，A
CLR WRITE
NOP
SETB WRITE

NOP

 

 

　

 

在这个系统中，有5个按键，分别完成光标（回车）、光标左移、光标右移、加1和减1的功能，变换后的值经光标（回车）确认后，乞讨变单片机内RAM地址区所对应的AD9854的频率和幅度控制字，然后写入到AD9854缓存内。每一次上电时，单片机从看门狗的E2PROM中读取上一次断电时保存在里面的AD9854的控制参数，LED显示器显示与断电前相同的频率和幅度值，并完成对AD9854相同的初始化。

SN54LVTH16625是一个电平转换芯片，它把单片机P0口和P2口输出的5V电平转换成3.3V电平，实现和AD9854的接口。由于AT89C51的P0口内部没有上拉电阻，在实际调试过程中，外接了8个4.7kΩ的上拉电阻，P0口和P2口本身都具有锁存功能。

AD9854是一个高性能、多功能，但又使用简单的芯片，它只需写入少量的控制字，即可实现不同的功能。在编程调试的过程中，它的刷新时钟值得重视，通过写端口写入AD9854的控制字暂时寄存在I/O缓冲寄存器中，需要一从低到高的时钟信号由20脚从外部输入，或者由内部32bit的刷新时钟把I/O缓冲寄存器中的控制字传送到DDS的内核。AD9854分为AST型和ASQ型，后者属于耐热型，内部倍频后的时钟可达300MHz，前者只能倍频至200MHz。在图2所示的系统中，提供给AD9854的参考时钟为20MHz，在芯片内部进行10倍频，并且使用的是内部刷新时钟，这时，UPDATE脚（20脚）是作为输出脚，在主复位之后，写入的控制字还没有送入DDS内核时，20脚输出10倍于系统周期的时钟信号，完成初始化之后，则输出2倍于系统周期的时钟，这也是判断控制字是否送入AD9854内核的一个标志，在调试中要特别注意。在本例中，屏蔽了反SINC滤波模块，因为它的功耗高达1W，需要给芯片提供良好的散热条件。

输出I或Q路信号，是经AD9854内部12bitD/A转换之后的模拟波形，但并非平滑的正弦波，需经低通滤波器平滑后，即可得到预期的波形。把滤波后的I和Q通过42、43脚输入，经过高速比较器，即可得到方波信号，方波信号经简单的变换，可得到三角波、锯齿波等。

3 结束语

本文介绍的基于AD9854的高精度频率信号发生器的设计方法设计的信号源，已经用于科研项目中。它体积小、重量轻，而且在此基础上，通过给AD9854提供数据源，简单地改变写入AD9854的控制字，可以实现AD9854所能提供的各种调制信号。把DDS技术与FPGA器件、计算机技术结合到一起，其操作更灵活，应用范围更广泛。由于市场上好几个系列的FPGA器件都能在一定程度上具备动态重构的能力，可以利用可视化编程工具Visual C++，实现并口数据位线给FPGA下载AD9854的控制程序，用FPGA器件实现AD9854的不同控制。实验表明，上述方法都能够达到AD9854给定的性能指标。AD9854作为一个性价比较高的DDS芯片，具有极广阔的应用前景。

 

参考文献

 

1 何立民.单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，1990