DDS原理及其应用

2022-09-10

频率源是通信、电子测量仪表、雷达等电子系统实现高性能指标的关键部分,并在广电系统中也有极为广泛的应用。直接数字式频率合成技术(DDS)具有频率转换时间极短、频率分辨率极高、输出相位连续、相位噪声低、可编程、全数字化、易于集成等突出优点,成为现代电子系统及设备中频率源的首选,对其进行研究具有重大的理论和实践意义。

以下将对DDS波形产生原理、控制方式、频谱特性进行分析,并设计出一套基于MCS-51芯片和AD9851芯片的DDS波形发生系统。达到参数如下:(1)出频率范围:30MHz~180MHz;(2)率准确度:优于土50Hz;(3)频率转换时间:≤2us;(4)步进精度:1kHz。

1 DDS原理分析

DDS在结构上主要可划分为数控振荡器和数字/模拟转换两个模块,模块NCO又由相位累加器和正弦查询表ROM构成。NCO实现由数字频率字输入生成相应频率的数字波形,模块DAC实现将NCO产生的数字幅度值高速且线性地转为模拟幅度值。基本框图如图1。

2 硬件设计及结果

2.1 硬件选型

市场上有AD、MAXIM等大型软件公司生产DDS芯片。本次设计采用AD公司的芯片。从性价比考虑,DDS芯片选用AD9851芯片,控制芯片选用AT89C52芯片,PLL芯片选用MC145152芯片。若需调节波形的幅度,可选择AD公司的AD8320可编程运放作为后级。其型号及价格如下表格1。

2.2 AD9851简介

AD9851是AD公司DDS芯片中性价比较高的一款,具有如下特性:(1)允许最高输入时钟180MHz,同时可选择是否启用内含的6倍频乘法器;(2)带有高性能的十位D/A转换器;(3)具有简化的控制接口,允许串/并行异步输入控制字;(4)允许工作电源范围:+2.7伏~+5.25伏;(5)可以工作在掉电方式(低功耗):4 M W+2.7伏;(6)其自由寄生动态范围(SFDR)>43d B@70MHz输出;(7)采用极小的2 8脚贴片式封装。

2.3 硬件连接

由主控芯片AT89C52的P1口向AD9851输入控制字,并由P3.4、P3.5、P3.6三口分别接AD9851的W_CLK、FQ_UD、RESET三个端口,若采用串行模式,则只须选择P 1中一个接口与AD9851相连(如图2)。

2.4 软件设计

AD985在进行频率控制时,首先送入相位调制码、功率调节码和输入模式控制码,然后送32bits频率控制码。在并行数据输入模式下,40bits的控制字经8位数据总线重复5次输入。W_CLK和FQ_UD信号用来加载控制字。W_CLK信号的作用是在其上升沿将8bits的频率控制字加载进入数据输入寄存器,并且将地址指针下移指向下一个数据输入地址端。当经过5次加载后,己经输入了40bits的控制字,则W_CLK信号的上升沿将被忽略,即数据将不再被加载,直到下一个复位信号或者下一个FQ_UD信号的上升沿到来为止。在FQ_UD信号的上升沿将40bits的控制字加载进入相位累加器,并且将地址指针复位指向第一个数据输入地址端。在串行数据输入模式下,40bits的控制字经D7线,重复40次输入。W_CLK和FQ_UD信号的作用相同。

2.5 波形改善措施

(1)PLL波形输入。DDS的输入波形的纯净度对输出波形纯净程度影响最大。为改善输入波形,可采用MOTORALA公司的145152芯片,进行锁相输入,提高输入频率的精度和纯净度。MC145152采用半行码输入方式置定、由14根并行输入数据编程的双模CMOS-LSI锁相环频率合成器。该芯片内含参考频率振荡器、可供用户选择的参考分频器、双端输出的鉴相器、控制逻辑、10位可编程的10bit÷N计数器、6位可编程的6bit÷A计数器和锁定检测等部分。其中,10bit÷N计数器、6bit÷A计数器、模拟控制逻辑和外接双模前置分频器组成吞脉冲程序分频器,吞脉冲程序分频器的总分频比为:D=VN+A。经过MC145152锁相后,即可得纯净波形,足够满足DDS的输入需要。

(2)EMI改善。对DDS电磁干扰现象可作如下考虑:①输入电源多用多种型号电容,减少输入杂波;②尽量减少PCB板上的突起;③PCB板上采用大面积铜网接地处理;④采用BNC接头和同轴屏蔽线连接输入输出信号,还可以采用屏蔽网等措施进行电磁屏蔽。

(3)滤波器设计。采用软件Rfsim99中的LC滤波器设计功能,进行简单的低通滤波器设计。其中,LC滤波器可以采用butterworth型滤波器。

2.6 安装调试结果

设计完成后,可进行PCB印刷和制板工序,并安装调试。设计PCB印刷板时注意为输出信号留有一定的测试空间,以方便用示波器测量。调试过程中,应采用数字存储示波器对各点进行测试,可看出控制字的输入情况和PLL输出情况,最终输出情况可采用示波器CH2通道进行直连测试。经反复调试,成功输出稳定可控的波形。

3 成果展望

3.1 后续设计

为进一步设计出更为实用的DDS信号发生系统,可在信号输出端级联一个AD8320可编程运放芯片,对输出波形的幅度进行控制,并可调整控制字,输出PSK、FSK、ASK等信号,若应用于工程,更通过编程,生成钟形信号,用于测试传输特性。另外,还可以采用DSP、FPGA等研制出更为合理的方案,替代现有方案。

3.2 DDS发展方向

一是频率拓展。如果DDS芯片的频率能够达到2 G左右,将在广电系统中,有更加广泛的应用前景,对将来的数字化、网络化提供有效的技术支撑。二是精度提高。DDS专业芯片中将配备精度更高的DA,这意味着输出精度将进一步提高,可以输出更加平滑的曲线。三是低功耗小型化。随着45nm技术的进一步发展,DDS的制造将有望达到CPU的标准,功耗更低,性能更强,封装却更小。