一、AD9850簡(jiǎn)介

　　AD9850是美國(guó)AD公司采用先進(jìn)的DDS技術(shù)，1996年推出的高集成度DDS頻率合成器，采用CMOS工藝，其功耗在3.3V供電時(shí)僅為155mW，擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40～80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式。它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。接上精密時(shí)鐘源，AD9850可產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出。此正弦波可以直接作為信號(hào)源輸出或者送入AD9850的高速比較器從而得到方波輸出。AD9850接口控制簡(jiǎn)單，可以用8位并行口或串行口直接輸入頻率、相位等控制數(shù)據(jù)。32位頻率控制字，在125MHz時(shí)鐘下，輸出頻率分辨率為0.029Hz，頻率范圍為0.1Hz~40MHz，幅值范圍為0.2~1V。其引腳排列如圖1所示，各引腳定義如下：

　　D0～D7（4-1，28-25）：控制字并行輸入，給內(nèi)部寄存器裝入40位控制數(shù)據(jù)，其中D7可做串行輸入

　　DGND（5、24）：數(shù)字地

　　DVDD（6、23）：為內(nèi)部數(shù)字電路提供電源（3.3V或5V）

　　W-CLK（7）：控制字裝入時(shí)鐘，用于加載并行/串行的頻率/相位控制字，上升沿有效FQ-UD（8）：頻率更新控制信號(hào)，時(shí)鐘上升沿確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)有效

　　FQ-UD（8）：頻率更新控制信號(hào)，時(shí)鐘上升沿確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)有效FREFCLOCK（9）：外部參考時(shí)鐘（有源晶振）輸入，最高125MHz

　　AGND（10、19）：模擬地

　　AVDD（11、18）：為內(nèi)部模擬電路提供電源（5V），可與數(shù)字電源共用

　　Rset（12）：外接電阻，決定器件輸出電流大小，典型值為3.9K

　　QOUT（13）：內(nèi)部比較器正向輸出端（方波）

　　QOUT（14）：內(nèi)部比較器反向輸出端（方波）VINN（15）：內(nèi)部比較器的負(fù)向輸入端

　　VINP（16）：內(nèi)部比較器的正向輸入端

　　DACBL（17）：內(nèi)部DAC外接參考電壓端，可懸空

　　IOUTB（20）：“互補(bǔ)”DAC輸出

　　IOUT（21）：內(nèi)部DAC輸出，爭(zhēng)先電流輸出端，一般用電阻接地以轉(zhuǎn)換為正弦電壓

　　RESET（22）：復(fù)位端

　　可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成，N一般位24~32。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng)M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0°~360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）以輸出模擬量，如圖2所示。

　　二、AD9850原理

　　其內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　由此可見可見，AD9850主要組成有三部分：一是高度DDS內(nèi)核，是AD9850的核心，包括相位寄存器、頻率寄存器、相位累加器、波形ROM；二是接口電路，即輸入寄存器，用于接收單片機(jī)送來的40bit數(shù)據(jù)；三是模擬電路部分，即DA轉(zhuǎn)換器及比較器。

　　三、AD9850工作方式

　　1、控制字的加載

　　AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠，2位用于選擇工作方式，詳見表1。這40位控制字可通過并行或串行方式輸入到AD9850，圖4是控制字并行輸入的時(shí)序圖。在并行裝入方式中，通過8位總線D0-D7可將數(shù)據(jù)輸入到寄存器。在W-CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器，在重復(fù)5次之后，再在FQ-UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器（更新DDS輸出頻率和相位），同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器。連續(xù)5個(gè)W-CLK上升沿后，W-CLK的邊沿就不再起作用，直到復(fù)位信號(hào)或FQ-UD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個(gè)寄存器。

　　在串行輸入方式，W-CLK上升沿把25（D7）引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，當(dāng)移動(dòng)40位后，用一個(gè)FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位。圖5是相應(yīng)的控制字串行輸入的控制時(shí)序圖。AD9850的復(fù)位（RESET）信號(hào)為高電平有效，且脈沖寬度不小于5個(gè)參考時(shí)鐘周期。AD9850的參考時(shí)鐘頻率一般遠(yuǎn)高于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率，因此復(fù)位端（22）可與單片機(jī)的復(fù)位端直接相連。

　　2、相位控制字的計(jì)算

　　AD9850中有5bit用于相位控制，相位控制的精度為360°/25=11.25°，用二進(jìn)制表示為00001，根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置不同的相位控制字就可以實(shí)現(xiàn)精確的相位控制。表2給出了相移與相位控制字之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，允許相位按增量11.25°、22.5°、45°、90°、180°移動(dòng)或者這些值進(jìn)行組合。

　　3、頻率控制字的計(jì)算

　　輸出信號(hào)的頻率由頻率控制字內(nèi)的相位增加量來決定。設(shè)相位累加器的位數(shù)為N，頻率控制字內(nèi)的相位增量為K，參考時(shí)鐘頻率為CLKIN，AD9850的頻率控制字為△Freq，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率fOUT為：fOUT=（CLKIN×K）/2N，輸出信號(hào)的頻率分辨率為△fOUT=CLKIN/2N，對(duì)于一個(gè)相位累加器的位數(shù)N=32，參考時(shí)鐘頻率為CLKIN=125MHz，當(dāng)相位增量K=1時(shí)，輸出信號(hào)頻率，fOUT最低，其值約為0.03Hz，這個(gè)值也是輸出信號(hào)的頻率分辨率△fOUT；K的值不能太大，否則會(huì)出現(xiàn)失真波形。fOUT的最大值理論上至少應(yīng)少于CLKIN/2，當(dāng)相位增量K=231時(shí)，輸出信號(hào)頻率fOUT最高，其值可達(dá)62.5MHz。所以要向提高輸出頻率的最大值，就得靠提高系統(tǒng)的外部時(shí)鐘CLKIN。

　　當(dāng)給定DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為fOUT，AD9850的頻率控制字為：△Freq=K=（fOUT×2N）/CLKIN。AD9850的頻率控制字位數(shù)N為32位，當(dāng)參考時(shí)鐘頻率CLKIN=20MHz，輸出信號(hào)頻率位1kHz，則向AD9850寫入頻率控制字為：△

　　四、硬件電路設(shè)計(jì)

　　1、DDS模塊與單片機(jī)接口電路

　　AD9850默認(rèn)復(fù)位為并行置入方式，所以要采用串行配置必須先進(jìn)行切換。即在并行方式下寫入一個(gè)字節(jié)的控制字W0后，利用FQ_UD脈沖更新使其生效即可。AD9850并串配置切換硬件連接方法是：使D2=0，D1=D0=1，這樣在AD9850每次上電或系統(tǒng)復(fù)位時(shí)的配置方式皆為串行方式。

　　注意：串行連接時(shí)，先送頻率字最低字節(jié)，再送頻率最高字節(jié)，最后送相位控制字（每個(gè)字節(jié)中先低位后高位）；并行連接時(shí)，先送相位控制字，再送頻率最高字節(jié)，最后送頻率最低字節(jié)。

　　IOUTB引腳是IOUT引腳的互補(bǔ)輸出端，它可輸出與IOUT引腳相同的電流，在電路設(shè)計(jì)是，應(yīng)在IOUT引腳外接電阻，一邊輸出正弦波電壓。該電壓可作為AD9850內(nèi)部告訴比較器同相端的輸入信號(hào)，并通過其外圍電路的設(shè)計(jì)，將比較器的閾值電壓取為信號(hào)幅度的一半，從而使得AD9850輸出占空比為50%的方波信號(hào)。

　　AD9850采用32位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?4位輸入到正弦查詢表，查詢表的輸出再被截?cái)喑?0位后輸入到DAC，DAC再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。DAC滿量程輸出電流通過一個(gè)外接電阻RSET調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)關(guān)系為ISET=32×（1.148V/RSET），RSET的典型值是3.9kΩ。將DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到AD9850內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波。

　　AD9850對(duì)輸入的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，進(jìn)行直接數(shù)字合成。輸入信號(hào)頻率最高為fclk=125MHz，可生成0-fclk/2范圍內(nèi)的任意頻率正弦波和方波。AD9850在接上精密時(shí)鐘源和寫入頻率相位控制字之間后就可產(chǎn)生一個(gè)頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出，此正弦波可直接用作頻率信號(hào)源或經(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。在125MHz的時(shí)鐘下，32位的頻率控制字可使AD9850的輸出頻率分辨率達(dá)0.0291Hz；并具有5位相位控制位，而且允許相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或這些值的組合進(jìn)行調(diào)整。

　　使用中注意：RESET決定了器件輸出端的電流大小，推薦連3.9K電阻到地；VINP、VINN分別是片內(nèi)比較器的正向輸入端和反相輸入端，VINP接IOUT輸出的正弦信號(hào)，可用于將輸出的正弦波轉(zhuǎn)換為方波；IOUT通常接200歐電阻到地以轉(zhuǎn)換為正弦電壓輸出，IOUTB為互補(bǔ)輸出；QOUT為方波輸出，QOUTB為方波反相輸出，懸空。

　　2、濾波模塊

　　（1）DDS的全數(shù)字型導(dǎo)致其存在一定缺陷，即雜波分布廣泛。當(dāng)雜波落入輸入頻帶內(nèi)時(shí)，則無(wú)法濾除。雜波主要是由數(shù)字器件的非理想特性而產(chǎn)生的幅度量化誤差和相位截?cái)嗾`差等因素造成的。其主要撒播分量遵循Nyquist采樣訂立，雜波分量出現(xiàn)在參考頻率與輸出頻率的組合出，即處。

　　圖8 3階橢圓濾波器電路圖

　　為了使輸出的頻率不受外界和一些雜波的干擾，需用一個(gè)低通濾波器（LPF）濾除高次諧波。常用的濾波器的頻率響應(yīng)有三種：巴特沃斯型（Butterworth），切比雪夫型（Chebyshev）和橢圓型（Cauer）。其中巴特沃斯濾波器通帶最平坦，它的通帶內(nèi)沒有紋波，在靠近零頻處，有最平坦通帶，趨向阻帶時(shí)衰減單調(diào)增大，缺點(diǎn)是從通帶到阻帶的過渡帶最寬，對(duì)于帶外干擾信號(hào)的衰減作用最弱，過渡帶不夠陡峭，因此它適用于對(duì)通帶要求較高，而去除的頻率離通帶較遠(yuǎn)的情況；切比雪夫?yàn)V波器在通帶內(nèi)衰減在零值和一個(gè)上限值之間做等起伏變化，阻帶內(nèi)衰減單調(diào)增大，帶內(nèi)有起伏，但過渡帶比較陡峭；橢圓濾波器不僅通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)也有起伏，而且過渡帶陡峭。比較起來，橢圓濾波器性能更好，本設(shè)計(jì)中采的是橢圓濾波器。具體電路圖如圖8所示。

　　（2）假定截至頻率為25MHz的低通濾波器。AD公司AD9851的數(shù)據(jù)手冊(cè)上提供了一個(gè)截至頻率為70MHz的橢圓低通濾波器，在該電路圖上運(yùn)用歸一化的方法更改就可以得到所需的電路，并且省卻了查表計(jì)算的麻煩。該濾波器的3dB截至頻率為f1=70MHz，與要求的3dB截至頻率f0=25MHz相比，頻率標(biāo)定系數(shù)FSF為：FSF=f0/f1=25/70=0.36。將70MHz截至頻率的濾波器的電感、電容值同時(shí)除以FSF、即可得到25MHz截至頻率的橢圓低通濾波器的參數(shù)。

　　該濾波器對(duì)元件值要求不高，可使用10%誤差的電感和5%誤差的電容。

　　五、基于單片機(jī)控制的DDS信號(hào)源設(shè)計(jì)

　　DDS信號(hào)源應(yīng)具有如下功能：（1）電路板上設(shè)計(jì)有串口，板上單片機(jī)可以通過串口升級(jí)片內(nèi)程序；（2）系統(tǒng)可以從USB取電，或者從擴(kuò)展口外接5V電源；（3）如要對(duì)輸出信號(hào)幅值控制，系統(tǒng)輸出端P3和P5可以外擴(kuò)幅值控制模塊；（4）系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用菜單選擇模式，包含了定頻、掃頻和跳頻模式，能夠滿足實(shí)際工作對(duì)信號(hào)源的需求。

　　可分為四個(gè)模塊：基于AD9850的DDS模塊，鍵盤輸入、顯示電路及控制模塊，濾波模塊和PC機(jī)通信電路模塊。

　　1、5l單片機(jī)為控制核心，一方面，上電后，單片機(jī)復(fù)位，對(duì)AD9850初始化并使其輸出預(yù)先設(shè)置的定頻頻率，AD9850輸出的信號(hào)經(jīng)濾波模塊過濾后輸出，來產(chǎn)生所需要的正弦波形；另一方面，對(duì)液晶LCDl2864進(jìn)行控制，通過菜單的模式，選擇所需要的輸出頻率方式。鍵盤輸入相應(yīng)的操作命令（功能分別為模式按鍵、數(shù)據(jù)加按鍵、數(shù)據(jù)減按鍵和確定按鍵），使得整個(gè)設(shè)計(jì)變得更加直觀明了。

　　單片機(jī)軟件主要由四個(gè)部分組成，分別為初始化配置程序、主循環(huán)程序、按鍵中斷程序和串行通信中斷程序。其中初始化配置程序主要負(fù)責(zé)初始化鍵盤控制芯片7279A和初始化DDS；按鍵中斷程序主要實(shí)現(xiàn)輸出波形選擇、頻率和相位選擇；串行中斷程序?qū)崿F(xiàn)了和PC機(jī)通信并調(diào)節(jié)頻率、相位以及輸出波形的選擇。

　　2、PC機(jī)和信號(hào)發(fā)生器板采用串口RS232通信，在PC機(jī)上使用VB軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)單片機(jī)的軟件通信協(xié)議進(jìn)行編程。控制對(duì)話框如圖7所示，提供了串口通信測(cè)試按鈕，用于判斷物理連接是否正常。可以控制輸出通道1、2的頻率和相位（確認(rèn)為方波輸出時(shí)，兩個(gè)通道的相位控制部分灰化），在按確定之后，信息將會(huì)送到單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)PC送的信息進(jìn)行分析，并控制DDS芯片，從而輸出相應(yīng)的波形。