AD9854的信号发生器设计

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1、文帝编弓:100D5702006)02-2-0241-03基于AD9854的信号发生器设计DesignofaSigna1GeneratorBasedonAD9854构京信息工程人学胸益凡唐慧强黄勋TaaYifenTangtHuiqangHuang,Xun摘要：介绍了用数字方式实现频率介成技术的基木原理和DDS芯片AD9854的内部结构及工作模式。设计了一种采用小片机控制AD9854为核心的信号发生器，它具有输出信号波形种类多、椿度高、可程控等待点。文中详细分析了该信号发生器的系统结构、软硬件设计和具体实现电路关键诃：信号发生器：DDSAD9854中图分类号：TN9143文献标识码：AAbstr

2、actThispaperintroducestheprincipleofDDSpresentsthestructureandfiveoperationmodesofAD9854.AsignalgeneratordesignedbyMCUcontrolledAD9854,hasvirtuesofgenerathgmultiplesortsofsignaIshighprecisionandpiugraiiniigofouutsignalsItssystanstiuctun&thedesignofsoftwareandhareiwareandthewaytorealizethecircuitisan

3、alyzedindetailKeywordSignalGeneratouDDSAD9854埜卫匝匾融LmalElectronicPublishingHouse.All區皱卷衆樹丁阅希p狐純嘟岛營_?43-您的论文得到两院院士关注电子设计埜卫匝匾融LmalElectronicPublishingHouse.All區皱卷衆樹丁阅希p狐純嘟岛營_?43-您的论文得到两院院士关注电子设计1引言在现代科研、通信系统、电子对抗及各种电子测戢技术中，一个髙耕度、频率可调的信号源是很多电子设备和系统实现高性能的关键。随着数字集成电路和微电了技术的发展，直接数字合成技术DS)将先进的数字处理技术与方法引入信号介

4、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器件采用了高速数字电路和高速DA转换技术，Jl备了频率转换时间短、相对带宽宽、频率分辨率高、输出相位连续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。而且，由于DDS是数字化高密度集成电路产品，芯片体积小、功耗低,因此可以用DDS构成髙性能频率合成信号源來取代传统频率信号源产品。2DDS工作原理21DDS技术AD9854中使用的DDS技术是根据奈奎斯特采样定律，从连续信号的相位出发将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存于EPROM中:合成时，通过改变相位累加器的频率控制了來改变和位增量.相位増量

5、不同，一个正弦周期内的采样点数不同。心时钟频率即采样频率不变的悄况卜，通过相位的改变來实现频率的改变，汁算公式为AP=Ar=2/Ar经转换得：/=AP/(2/rx3)=(APx_/g)/2/r陶益凡：硕士研究生垄金项H：江苏省攻关计划资助项HBE2002327)其中4P为相位变化，3为角频率，At为时钟周I期，H为时钟频率。由式中可知，改变相位值4R就可介|改变合成信号的频率f由于N位相位累加器对2兀进鬥行量化，即对2nlR厂个点，则4P可取(H2M。将其代入紂/=中W*为频率控制字，収|值为A21。将这种变化的相位福值最化的数字信号通HDA转换即Iij得到合成的相位变化的模拟信号频率。22A

6、D9854芯片结构及工作模式AD9854是矣国AD公司釆用先进的DDS技术生产的JI有高集成度的电路器件。它内部集成了48Bit频率累加器、48Bi诩1位累加器、1E余眩波形表、高速、高性能的止交D於转换器以及调制和控制电路，能够在单片上完成频率调制、相位调制、幅度调制和正交调制等多种功能。当输入一个准确的参考频率，AD9854就产生一个高稳定的频率、相位、幅度可编程调制的止弦和余弦信号，作为本机振荡器用于通信、雷达等方Ifli。AD9854的DDS内核貝冇48Bil的频率分辨率，相位截断17Bit保证了优良的无杂散动态比(SFDR)指标o同时，AD9854内部还含何可编程控制的时钟乘法器，这

7、可以使川户采用相对较低频率的振荡器通过乘法电路实现从4到20的胳数倍频成为系统时钟信号，其内部时钟速率最大可达300MHXAD9854有五种工作模式，分别为SinglToneMode000)、FSK(Mode001)、RampedFSKMode010).ChirpMode011)和BPSKMode100),模式选择可在控制寄存器里进行修改。在这五种模式|,Sin-gl(HTone模式足最为灵活的一种.也是主复位后的默认模式。通过该模式可以根据需要任意设定输出信号的频率、幅度和相位等特性。在FSK模式卜，其输出信号的频率可根据引脚P29的电平高低在频率控制字F1和F2之间选择，而其相位则宙和位控

8、制字P1决定，频率跳变时相位保持连续。RanpcdFSK模式与FSK的不同之处在于：F1和F2分别存储低频率和高频率，输出从F1到F2扫描，打描间隔和速度可以控制，控制寄存器中既可提供单独控制位以实现I动三角形扫频过程，也可改变扫频速度以实现非线性扫频。Chiip模式是在指定的频率范国和频率粘度上，频率可以是线性或非线性变化输出，而且扫频方向可控。与RanpedFSK模式相比，该模式需要用户门己通过HOLD(P29高电平)控制停11频率点，同时控制停止后的状态。BPSK模式的工作方式几乎和FSK完全相同，只是BPSK模式将频率F1和F2之间的切换变成了相位P1和P2之间的切换，引脚P29低电平

9、时选择P1，高电平时选择PZ此外，还耍通过频率寄“器对输出信号的频率进行控制。3系统硬件设计本文设计的信号发生器采用DDS技术，结合单片机控制，实现止弦波、方波、三角波、点频、扫频、跳频等功能，以及AM、FM、FM、FSK、PSK、ASK等调制功能.系统组成结构如图1所示,主要有单片机控制模块、键盘与靠示模块、数字合成模块、滤波模块及功放模块。图1系统组成结构31信号的产生及显示控制系统采用的单片机控制芯片是台湾Winbond公司的W78E58芯片,它是51系列单片机兼容的微控制器，其内部冇32KB的FLASHEEPROM,用户编制的程序及需婆显示的英文字母、数字、汉字、曲线和图形都可以心储在

10、里Iftl,免去了扩展外部心储器的麻烦，使得以W78E58E片机为孩心的控制系统电路更简单。而H它的一个机器周期是4倍的振荡周期，执行同一条指令的时间只是普通的8051单片机的16因此指令操作更加快速。木文设计中，W78E58的参考时钟由20MHz的晶体拣荡器产生，同时也把它作为AD9854的输入时钟，再经过内部乘法电路15倍频后达到300MHz的系统时钟。AD9854冇10MHz申行接口和100MHz8位并行接II2种方式可以选择，此处将S/PSELECT(Pin70)弓I脚接高电平，选择并行传输方式。如信号产生控制电路图略可向作者索取XW78E58的POLO至PQ7端II与AD9854的D

11、0至D7端II相连传输数据信息，P20至P25端口与A0至A5端II相连传输寄存器地址信息,P36.P37分别与WRRD两个引脚相连控制读写操作，由这三部分共同组成并行传输控制.例如，当WR引脚置低电平时,频率控制字通过数据端口送入LO缓冲寄存器,再由内部的刷新时钟把控制字写入指定地址的寄存器.为节省单片机I/O口，简化硬件线路，本文采用矩阵式键盘，并结介软件编程，实现双功陡键。键盘共设冇16个键，由PL(hP1.3四条行线和P1.21.7四条列线构成其中包括数字键、甲位键及功能键，用來廿所需信号的频率、幅度及功能进行控制，垠后输出的信号频率、财反竽信息通过液晶显示屏显示出来。显示部分采用国显

12、公司的GXM1602NSL液品模块，它的核心是HD44780.与W78E58的数据传输采用8位并行传输，可显示两行共32个点阵字符oHD44780支持用户fl定义字符，故可以通过编程将频率、幅度、波形等汉字及数字信息显示岀来。本文设计屮还采用了通信接口(RS232)与PC机相联，PC机的控制命令可以通过TXD(PinlO)和RXD(Pinll)与W78E58进行交互，控制信号源的输出。32信号的处理根据DDS介成的频谱分析，由于存在相位截断和D/A转换，输出信号禽冇髙次谐波分議干扰。尤其是输出信号频率越高，谐波畸变越大，本文设计的信号发生器输出频率故高达100MIU故需进行更仃效的滤波处理。本

13、设计中采用的小波分析能同时利用信号与噪声在时域和频域内的差别，实现更为有效的信噪分离，从而获得较为理想的除噪效果。滤除高次谐波时，利用3。准则确定每层小波分解系数的阈值.3。准则通常用于测戢误差的处理，主要功能是挑出测呆误差中的粗大误差基本思想是:由F随机谋差是服从于正态分布，则溟圣的绝对值主要集屮在均值OJffl近。凡所测数据大于3。的则认为是粗大误差，以剔除。H体算法为：1龙十算各层细节系数的均方值0；2)将相应层的小波变换系数屮绝对值人于3。的系数直为UU他保持不变：3)返回1用新计算。的ff，继续比较，如果小波变换系数中仍然有大于3c的值存在,则循环执行臥2、直到该层所有小波变换系数祁

14、小于该次求得的3oo此时的3。就足该层小波分解系数去噪阈值。处理后的系数再进行小波反变换，即得到预期的波形。把滤波后的I和Q通过VINP(Pin42)、VNN(Pin43)脚输入，经过高速比较器,即可得到方波信号,方波仟号经过简单的变换，可得到三角波、锯齿波等。4系统软件设计在仪器的整个设计中，对系统软件的设计采用模块化没汁的方法。系统软件曲主监控软件、键盘显示器管理模块、外设中断管理处理模块、乞功能模块和数据处理模块构成。I.电复位厉仪器iT先进入监控主程字。它的任务是识别命令、解释命令，并获得完成该命令的相应模块的入口，起着引导仪器进入止常工作状态。系统的软件用c语言设汁，相对于汇编语言，

15、c语言对机器底层硬件操作较为方便，模块化程度髙，可读性与可移植性好。主程序框图如图2所示。对AD9854进行初始化控制时，首先，MASTERRESETPin71W必须置高10个系统周期以上,然后对AD9854写入控制字。一旦设定后，AD9854将保持设定状态不变,直到車新进行设巻。AD9854通过内部个地址范国为00H27H的寄存器表存储冇关的各种控制字和状态字。用户可通过IQ与该寄存器表进行通信，IQ缓冲区的内容必须在更新脉冲的作用F才能刷新到寄存器表中,这样可以很好地达到同步.寄存器衣中UQH、U1H和U2H、U3H单元分别存放14位的相位控制字1和相位控制字2它决定了输出信号可编程控制的

16、相位梢度即最低相位为R(n=360度0=QO22度。04H79H和0AH7FH单元分别”放48位的频率控制了1和频率控制了2它决定了输出信号可编程控制的频率耕度即最低频率为(1=300X1(Tl.066X1(T;HzAD9854的五种工作模式选择字心放在寄器农1EH单元。当AD9854工作在Chirp模式下时，基本编程步骤如下：图2系统主程序程(1)将初始频率控制字WFC写入48位FIW,(FrequencyTuningWoid1)中。将频率步进虽:写入48位DFW(DeltaFrequencyWord)中(3) 将时间步进戢写入20位RRC(RanpRateClock)中o(4) 更新脉冲刷

17、新数据。部分源稈序如下：P2=0x04寄存器地址为04HP0=0x2A：输出频率为50MHzPa6=0P3e=iP2=0xlR寄存器地址为1FHP0=0x8G工作模式为OilPa6=0P36=1P2=0xlE寄心器地址为1EHP0=Ox4R系统时钟为20MHz的15倍频即300MHzPa6=0P36=15总结木文设计的依号发牛器采用DDS芯片-AD9854结合单片机控制技术，使得整机结构简单，功能齐全。不仅几有AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK调制功能，还冇点频、扫频和跳频等功能.经过实际测试，其分辨率、信噪比和幅度控制达到了设计要求，输出最鳥频率达到了lOOMHx频率分辨率达到luHz

18、抗干扰能力很强，满足实验室和科研使用的耍求参考文献：jCOMS300MSPSQuadratureCanpieteDDSTD9854DatasheetAnalogDevicesInc2004Q壬长利个厚徳.慕于数据库的通信设备门动测试系统设计5微汁算机信息.2005L69-71作者简介：陶益凡，女，1981年4月生，汉族，江苏盐城人.硕上研究生，研究方向为智,能仪器仪表.曰nailyayaty163con唐慧强，男,1965年2月生，汉族，副教授，博士。C10C44南京依息丁程大学期?益凡用惹强黄勋通信地址：(210044南京信息匸程大学信息与通信系)陶益凡cpartnentofInformationandCcmmunicatioaNanjingUniversityofInfoimationandScience&Technology;Nanjing210044China)TaaYifan投稿1期：2005626)烽稿U期：200576)微计算机信息杂志旬刊Wt：10i峠5136阮地址:北京海淀区皂君庙14号院鑫雅苑6号楼601室微计算机信息杂志收邮编：100081电话:010-62132436010-62192616(T/F)埜卫匝匾融LmalElectronicPublishingHouse.All區皱卷衆樹丁阅希p狐純嘟岛營_?43-