基于單片機控制的接口電路正弦波信號發(fā)生器設(shè)計方案

1.引言

隨著數(shù)字大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)字電路的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）具有頻率轉(zhuǎn)換速度快。頻率分辨率高。相位可控。頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點。頻率轉(zhuǎn)換速度快。頻率分辨率高的信號源在現(xiàn)代電子通訊。航空航天。自動控制等領(lǐng)域中是必不可少的，因此DDS信號源在上述領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

AD9850是ADI公司生產(chǎn)的低功耗直接數(shù)字頻率合成技術(shù)典型產(chǎn)品之一，AD9850具有頻率轉(zhuǎn)換速度快。頻率分辨率高。相位噪聲低。頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點。本論文設(shè)計的是以直接頻率合成（DDS）器件AD9850和MCS-51單片機為核心，配合必要的外圍接口器件，在單片機軟件控制下，能夠產(chǎn)生給定頻率和起始相位的附加調(diào)制信息的正弦波信號發(fā)生器。

2.AD9850的基本工作原理

2.1AD9850的主要性能指標

①最大支持時鐘頻率為125MHz

②頻率分辨率達到0.029Hz

③支持兩種供電電壓：+3.3Vor+5V

④低功耗：380mW@125MHz（+5V）

155mW@110MHz（+3.3V）⑤頻率轉(zhuǎn)換時間：10個時鐘周期。比如當fs=125MHz時，頻率轉(zhuǎn)換時間為：10&TImes;1/（125&TImes;106）≈0.1

⑥輸出的無雜散動態(tài)范圍SFDR大于50dB@40MHz

⑦具有相位可控

⑧支持并口和串口輸入控制接口

⑨頻率控制字采用32位二進制碼

2.2AD9850引腳說明

AD9850采用了先進的CMOS工藝，采用28腳SSOP表面封裝形式，其管腳如圖1所示，引腳功能如表1.

2.3AD9850內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD9850的芯片功能框圖如圖2所示。

AD9850芯片內(nèi)包括高速DDS.10位DAC.頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器。數(shù)據(jù)輸入寄存器。比較器等，在125MHz參考時鐘下，AD9850經(jīng)過高速的DDS核心芯片能產(chǎn)生一個32位頻率調(diào)整控制字可使AD9850的輸出頻率達0.0291Hz;并能提供了5bits的相位控制位，它能使輸出相位以180°.90°.45°.22.5°.11.25°或是它們?nèi)我饨M合的增量改變.AD9850的電路結(jié)構(gòu)允許產(chǎn)生頻率值是參考時鐘的一半的輸出，并且輸出的頻率能用數(shù)控方式以每秒產(chǎn)生23000000個新頻率的速度變化.AD9850芯片內(nèi)的比較器構(gòu)成能接收經(jīng)外部低通濾波后的DAC轉(zhuǎn)換輸出，可以產(chǎn)生一個低抖動的方波輸出的裝置，因此AD9850用作時鐘發(fā)生器十分方便。頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器。數(shù)據(jù)輸入寄存器在外部的頻率更新時鐘和字加載時鐘的控制下進行頻率控制字的輸入和更新，使芯片輸出所要求的頻率和相位。

2.4AD9850的工作原理

AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。

可編程DDS系統(tǒng)由相位累加器和正弦查表組成，其相位累加器由一個加法器和一個N位的相位寄存器組成，N一般為24~32;實質(zhì)上是一個可變模的計數(shù)器，即DDS相位增量的個數(shù)在計數(shù)器收到每一個時鐘脈沖時被存儲起來，當計數(shù)器溢出時，它就回到初態(tài)并使用相位累加器輸出到相鄰值。頻率控制字能設(shè)置計數(shù)器的模，它決定了相位增量的大小。相位增量在每個時鐘到來時便在相位累加器中相加，相位增量越大，則累加器溢出的速度越快，產(chǎn)生的輸出頻率越高。

AD9850采用32位的相位累加器，AD9850利用改進的，獨有的算法，把14bits已截斷的相位累加器的輸出轉(zhuǎn)變成適當?shù)挠嘞抑?，?jīng)片內(nèi)高速的10bitDAC轉(zhuǎn)換器，可得到模擬正弦波。這個獨特的算法使用一個簡化了的ROM表和DSP技術(shù)等功能，有助于縮小AD9850的體積和功耗。輸入。輸出。參考時鐘和頻率控制字的關(guān)系如下：

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)以單片機8051為控制核心，通過對AD9805內(nèi)部的頻率控制字和相位控制字進行軟件編程，然后通過外接低通濾波器達到所需性能指標的正弦波信號。

系統(tǒng)分為2個模塊：單片機最小系統(tǒng)和DDS模塊。單片機最小系統(tǒng)包括8051單片機.2*2中斷鍵盤矩陣。串口通訊。下載接口。

DDS模塊包括核心芯片AD9850和低通濾波器。系統(tǒng)總體框圖如圖3所示。

3.2AD9850與單片機接口

AD9850與單片機接口電路，需要考慮以下幾點：

①AD9850控制字寫入方式選擇.AD9850控制字的寫入方式有串行和并行兩種。并行寫入方式的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤欤軌蛱嵘麄€系統(tǒng)的處理速度，為了充分發(fā)揮芯片的高速性能，應(yīng)在單片機資源允許的情況下盡可能選擇并行方式，所以，本系統(tǒng)采用8051單片機作為控制核心，通過并行寫入控制字的方式控制AD9850芯片。如圖4所示，AD9850的數(shù)據(jù)線D0~D7與P1口相連。

②FQUD和WCLK與單片機連接.AD9850的FQUD控制信號和WCLK控制信號與分別與8051單片機的P3.0（10引腳）和P3.1（11引腳）相連，所有的時序關(guān)系均可通過軟件控制實現(xiàn)。

③RESET與單片機連接.AD9850的晶體振蕩器采用100MHz，AD9850的復位（RESET）信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個參考時鐘周期。由于單片機采用12MHz晶振時，它的高電平時間能夠滿足AD9850復位要求，故可將AD9850的復位端與單片機的復位端直接相連。

3.3AD9850應(yīng)用時需要注意的事項

①AD9850作為時鐘發(fā)生器使用時，要避免混疊或諧波信號落入有用輸出頻帶內(nèi)，并減少外部濾波器的要求，必須要使輸出頻率小于參考時鐘頻率的33%.

②AD9850參考時鐘頻率最低為1MHz，低于此頻率，系統(tǒng)自動進入電源休眠方式；高于此頻率，系統(tǒng)恢復正常。

③印制線路板應(yīng)采用多層板，要有專門的電源層和接地層，而且不能有引起層面不連續(xù)的蝕刻導線條。

④印制線路板的頂層應(yīng)留有帶一定間隙的接地面，以便為表面安裝器件提供方便。

⑤印制線路板的AD9850器件下面不能走數(shù)字信號線，避免把噪聲耦合進芯片；避免數(shù)字信號與模擬信號交叉，且它們在電路板相反兩側(cè)上的走線應(yīng)彼此垂直，以減小電路板的饋通影響。

⑥時鐘等快速開關(guān)信號應(yīng)利用數(shù)字地屏蔽起來，以免向電路板上的其它器件輻射噪聲，并且絕不應(yīng)靠近基準輸入或位于封裝之下。

⑦要考慮用良好的去耦電路，分別把高質(zhì)量的陶瓷去耦電容接到各自的接地引--去耦電容應(yīng)盡可能靠近器件。

⑧采用獨立的模擬電源和數(shù)字電源，AD9850電源線路應(yīng)采用盡可能寬的走線，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的毛刺噪聲影響.