您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注 文章编号:1008- 0570(2006)02- 2- 0241- 03 电 子 设 计 基于 AD9854 的信号发生器设计 Des ig n o f a Sig n al Gen erato r Bas ed o n AD9854 (南京信息工程大学)陶 益 凡 唐 慧 强 黄 勋 Tao,Yifan Tang,Huiqiang Huang,Xun 摘要: 介 绍 了 用 数 字 方 式 实 现 频 率 合 成 技 术 的 基 本 原 理 和 DDS 芯 片 AD9854 的 内 部 结 构 及 工 作 模 式 。 设 计 了 一 种 采 用 单 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 、精 度 高 、可 程 控 等 特 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 。 关键词: 信号发生器; DDS; AD9854 中图分类号: TN914.3 文献标识码: A Abstr act: This paper introduces the principle of DDS, presents the structure and five operation modes of AD9854. A signal generator designed by MCU controlled AD9854, has virtues of generating multiple sorts of signals, high precision and programming of output signals. Its system structure, the design of software and hardware and the way to realize the circuitry is analyzed in detail. Keywor d: Signal Gener ator ; DDS; AD9854 1 引 言 在 现 代 科 研 、通 信 系 统 、电 子 对 抗 及 各 种 电 子 测 量技 术中, 一个高 精 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 和微电子技术的发展, 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 器件采用了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、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 构成高性能频率合成信 号源来取代 传统频率信号源产品。 2 DDS 工 作 原 理 2.1 DDS 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字来改变相位 增量。相位增量不同, 一个正弦周期内的采样点数不 同。在时钟频率即采样频率不变的情况下 , 通过相位 的改变来实现频率的改变, 计算公式为 经转换得: D = D = 2 p w D P t f /(2 p  D = D  P f ) ( t f = D P t ) / 2 p CLK 陶益凡: 硕士研究生 基金项目: 江苏省攻关计划资助项目 (BE 2002327) 其 中 ΔP 为 相 位 变 化 , ω为 角 频 率 , Δt 为 时 钟 周 期, fCLK 为时钟频率。由式中可知, 改变相位值 ΔP, 就可 改变合成信号的频率 f。由于 N 位相位累加器对 2π进 行量化, 即对 2π取 2N 个点, 则 ΔP 可取 0～2N- 1。将其 , 其中 WFC 为频率控制字, 取 代入得 值为 0～2N- 1。将这种变化的相位/幅值量化的数字信号 通过 D/A 转换即可 得 到 合 成 的 相 位 变 化 的 模 拟 信 号 频率。 f W ) / 2N CLK =  FC ( f 2.2 AD9854 芯片结构及工作模式 AD9854 是美国 AD 公司采用先进的 DDS 技术生 产的具有高集成度的电路器件。它内部集成了 48Bit 频率累加器、48Bit 相位累加器、正余弦波形表、高速、 高性能的正交 D/A 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 IQ 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 内核具有 48Bit 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。同时, AD9854 内部还含有可编程控制的 时钟乘法器, 这可以使用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 的整数倍频成为系统 时钟信号, 其内部时钟速率最大可达 300MHz。 AD9854 有 五 种 工 作 模 式 , 分 别 为 Single- Tone ( Mode 000) 、FSK ( Mode 001) 、Ramped FSK ( Mode 010) 、Chirp( Mode 011) 和 BPSK( Mode 100) , 模式选择 可在控制寄存器里进行修 改。在这五种 模式中, Sin- gle- Tone 模式是最为灵活的一种, 也是主复位后的默 《变频器与软启动器应用 200 例》 邮局订阅号: 82-946 360 元 / 年 - 241 - 技 术 创 新 

电 子 设 计 中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》( 嵌 入 式 与 SOC )2006 年 第 22 卷 第 2-2 期 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 模式下, 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, 而其相位则由相位控制字 P1 决 定, 频率跳变时相位保持连续。Ramped FSK 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 , 扫 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自动三 角形扫 频 过 程 , 也 可 改 变 扫 频 速 度 以 实 现 非 线 性 扫 频。Chirp 模式是在指定的频率范围和频率精度上, 频 率可以 是 线 性 或 非 线 性 变 化 输 出 , 而 且 扫 频 方 向 可 控。与 Ramped FSK 模式相比, 该模式需要用户自己通 过"HOLD"( P29 高电平) 控制停止频率点, 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 低电平时选 择 P1, 高电平时选择 P2。此外, 还要通过频率寄存器 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 , 实现正弦波 、方波、三角波 、点 频 、扫 频 、跳 频 等 功 能 , 以 及 AM、FM、PM、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、键盘与显示模块、数字合成模块、滤波模块及功放 技 术 创 新 模块。 PC 机 显示 键盘 串口通信 MAX232 单片机 W78E58 数字合成 AD9854 低通 滤波 功放 MAX437 图 1 系统组成结构 3.1 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 有 32KB 的 FLASH EEPROM, 用 户 编 制 的程序及需要显示的英文字母、数字、汉字、曲线和图 形都可 以 存 储 在 里 面 , 免 去 了 扩 展 外 部 存 储 器 的 麻 烦, 使得以 W78E58 单片机为核心的控制系统电路更 简单。而且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 1/3, 因此指令操作更加快速。 本文设计中, W78E58 的参考时钟由 20MHz 的晶 体振荡器产生, 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 有 10MHz 串行接口和 100MHz8 位并行 接口 2 种方式可以选择, 此处将 S/P SELECT( Pin 70) 引脚接高电平, 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), W78E58 的 P0.0 至 P0.7 端 口 与 AD9854 的 D0 至 D7 端 口 相 连 传 输 数 据 信 息 , P2.0 至 P2.5 端口与 A0 至 A5 端口相连传输寄存器地 址信息, P3.6、P3.7 分别与 WR、RD 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 I/O 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, 并结合软件编程, 实现双功能键。键盘共设 有 16 个键, 由 P1.0～P1.3 四条行线和 P1.4～P1.7 四条 列线构成。其中包括数字键、单位键及功能键, 用来对 所需信号的频 率 、幅 度 及 功 能 进 行 控 制 , 最 后 输 出 的 信号频率、幅度等信息通过液晶显示屏显示出来。显 示部分采用国显公司的 GXM1602NSL 液晶模块, 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。HD44780 支持 用户自定义字符, 故可以通过编程将频率、幅度、波形 等汉字及数字信息显示出来。 本文设计中还 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( Pin10) 和 RXD ( Pin11) 与 W78E58 进行交互, 控制信号源的输出。 3.2 信号的处理 根据 DDS 合成的频谱分析, 由于存在相位截断和 D/A 转换, 输出信号含有高次谐波分量干扰。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 生器输出频率最高达 100MHz, 故需进行更有效的滤 波处理。本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 3σ准则确定每层小波分解系数的阈值。3σ准则 通常用于测量误差的处理, 主要功能是挑出测量误差 中的粗大误差。基本思想是:由于随机误差是服从于正 态分布, 则误差的绝对值主要集中在均值(0)附近。凡 所测数据大于 3σ的则认为是粗大误差,予以剔除。具 体算法为: 1)计算各层细节系数的均方值 σ; 2)将相应 层的小波变换系数中绝对值大于 3σ的系数置为 0,其 他保持不变; 3)返回 1)重新计算 σ的值,继续比较,如 果小波变换系数中仍然有大于 3σ的值存在,则循环执 行 1)、2),直到该层所有小波变换系数都小于该次求得 的 3σ。此时的 3σ就是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) 、VINN ( Pin43) 脚输入, 经过高速比较器, 即可得到方波信号, 方波信号经过简单的变换, 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 块化设计的方法。系统软件由主监控软件、键盘显示 242 - - 360元 / 年 邮局订阅号: 82-946 《现场总线技术应用 200 例》 

您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注 电 子 设 计 器管理模块、外 设 中 断 管 理 处 理 模 块 、各 功 能 模 块 和 数据处理模块构成。上电复位后仪器首先进入监控主 程序。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, 起着引导仪器进入正常工作 状态。系统的软件用 C 语言设计, 相对于汇编语言, C 语言对机器底层硬件操作较为方便, 模块化程度高, 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 , MASTER RESET(Pin71)脚 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, 直到重新进行设 置。AD9854 通过内部一个地址范围为 00H～27H 的寄 存器表存储有关的各种控制字和状态字。用户可通过 I/O 与该寄存器表进行通信, I/O 缓 冲区的内容 必须在 更新脉冲的作用下才能刷新到寄存器表中, 这样可以 很好地达到同步。寄存器表中 00H、01H 和 02H、03H 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 相 位 精 度 即 最 低 相 位为 PMIN=360 度/214=0.022 度。04H～09H 和 0AH～0FH 单元分别存放 48 位的频率控制字 1 和频率控制字 2, 它决定 了 输 出 信 号 可 编 程 控 制 的 频 率 精 度 即 最 低 频 率为 fMIN=300×106/248=1.066×10- 6Hz 。AD9854 的五种工 作模式选择字存放在寄存器表 1EH 单元。当 AD9854 工作在 Chirp 模式下时, 基本编程步骤如下: 开始 社始化 与自检 有无键安下 N 根据按键执行子程序 显示输出频率和幅度值及波形 写控制字入 AD9854 执行 图 2 系统主程序程 ( 1) 将 初 始 频 率 控 制 字 WFC 写 入 48 位 FTW1 ( Frequency Tuning Word 1) 中。 ( 2) 将频率步进量 写入 48 位 DFW ( Delta Fre- quency Word) 中。 ( 3) 将 时 间 步 进 量 写 入 20 位 RRC ( Ramp Rate Clock) 中。 ( 4) 更新脉冲刷新数据。 部分源程序如下: ...... P2=0x04; 寄存器地址为 04H P0=0x2A; 输出频率为 50MHz P3.6=0 P3.6=1 P2=0x1F; 寄存器地址为 1FH P0=0x86; 工作模式为 011 P3.6=0 P3.6=1 ...... P2=0x1E; 寄存器地址为 1EH P0 =0x4F; 系 统 时 钟 为 20MHz 的 15 倍 频 即 300MHz P3.6=0 P3.6=1 ...... 5 总 结 技 术 创 新 本文设计的信 号发生器采 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。 不仅具有 AM、FM、PM、FSK、PSK、ASK 调制功能, 还有 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, 输出最高频率达 到 了 100MHz, 频 率 分 辨 率 达 到 1μHz, 抗 干 扰 能 力 很 强, 满足实验室和科研使用的要求。 参考文献: [1]COMS 300 MSPS Quadrature Complete DDS - AD9854 Datasheet. Analog Devices Inc,2004 [2]王 长 利,全 厚 德. 基 于 数 据 库 的 通 信 设 备 自 动 测 试 系 统 设 计 [ J] .微计算机信息, 2005, 1:69- 71 作者简介: 陶益凡, 女, 1981 年 4 月生, 汉族, 江苏盐城 人, 硕士研究生, 研究方向为智能仪器仪表。Email: yayatyf@163.com. 唐慧强, 男, 1965 年 2 月生, 汉族, 副 教授, 博士。 (210044 南京信息工程大学)陶益凡 唐慧强 黄勋 通信地址: ( 210044 南京信息工程大学信息与通信系) 陶益凡 ( Depar tment of Infor mation and Communication, Nanjing Univer sity of Infor mation and Science & Technology, Nanjing 210044, China) Tao,Yifan (投稿日期:2005.6.26) (修稿日期:2005.7.6) 微计算机信息杂志 旬刊 一年订价:360 元 每册定价:10 元 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: 010-62132436 010-62192616( T/F ) 《变频器与软启动器应用 200 例》 邮局订阅号: 82-946 360 元 / 年 - 243 -