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1、.基于 89C51 和 AD9854 的 DDS 高精度频率信号实现摘要:针对美国AD(Analog Devices) 公司生产的DDS 技术产品AD9854 芯片的功能特点进行了介绍,在信号源设计中采用了ATMEL89C51单片机作为控制单片机实现高精度信号发生器。并针对信号源的功能进行了C 语言程序设计,完成了软件设计实现.关键词:DDS 技术;AD9854 ;信号源;ATMEL89C51 ;程序控制.目录摘要11.1 DDS 基础 331.1.1 DDS（直接数字式频率合成器）基本原理与结构 31.1.2 常用的可编程 DDS 结构 41.1.3 频率合成器的技术指标 41.1.4 DD
2、S 的调制特性 52.1 AD9854 和 89C51 的介绍和电路连接62.1.1 AD9854 的介绍62.1.2AT89C51 的介绍 72.1.3.AD9854 与 AT89C51 的电路连接 83.1 软件设计9.附录 161.1DDS 基础1.1.1 DDS（直接数字式频率合成器）基本原理与结构一两种基本合成方式1）根据正弦函数关系式，按照一定的时间间隔利用计算机进行数字递推关系计算，求解瞬时正弦函数幅值并实时地送入数/模转换器，从而合成出所要求频率的正弦波信号。优点：电路简单、成本低、合成信号频率的分辨率可做得很高等优点，缺点：受计算机速度的限制，合成信号频率较低，一般在几千赫兹
3、左右；2）用硬件电路取代计算机的软件运算过程，即利用高速存储器将正弦波的M 个样品存在其中，然后以查表的方式按均匀的速率把这些样品输入到高速数/模转换器，变换成所设定频率的正弦波信号。优点：采用高速存储器产生正弦波幅值数据，合成频率已可以做得很高，目前已达到数百兆赫。使用最广泛。图一.DDS 基本结构框图DDS 的输出频率 fo 和基准时钟 fc、相位累加器长度 N 及频率控制字 FSW.的关系为： fo= fcFSW/2N。DDS 的频率分辨率为： fo= fc / 2N 。受奈奎斯特（Nyquist）抽样定理限制，输出最大频率：fmax = fc / 2 。1.1.2常用的可编程 DDS
4、结构图二.常用的可编程 DDS 结构核心：相位累加器，由两个加法器 +一个 N 位相位寄存器 N 一般为2432 位。a)每来一个时钟 fc，相位寄存器以步长 M 增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。b) 正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0360范围的一个相位点。c)查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动 DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过 2N/M 个 fc 时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到起始位置，整个 DDS 系统输出一个正弦波。1.1.3. 频率合成器的技术指标一主要技术指标：1).频
5、率范围 频率范围: 频率合成器输出最低频率 fomin 和最高频率 fomax 之间的变化范围，也可以用频率覆盖系数表示: 如果 k23 时，一般 VCO 是很难满足这一输出频率范围的，实践中可以把整个频段分为几个分波段，.每个分波段由一个 VCO 来满足分波段频率范围。 也经常用相对带宽来衡量:2).频率分辨率 fo 输出频率间隔频率分辨率 fo : 相邻两个输出频率之间的间隔，也称为输出频率间隔，或频率步进间隔。如参考频率不变，DDS 的频率分辨率由相位累加器的位数 N 决定。N 一般得很大，如 32 位、48 位、60 位，使得分辨率高在通信系统中希望波段内的频率通道尽可能多，以满足通信
6、的要求，所以，希望 fo 尽可能小。目前 PLL 频率合成器可以做到 fo 为100kHz、10Hz 或 1Hz，而 DDS 合成器则可以做到 1Hz 以下。3).频率准确度和稳定度 频率准确度: 频率合成器的实际输出频率偏离标称频率的程度。 频率稳定度: 在一定时间间隔内，合成器输出频率的变化大小。在模拟直接频率合成器、锁相频率合成器和 DDS 合成器中，输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。1.1.4 .DDS 的调制特性一输出信号波形的三个参数：频率 （2f） 、相位 和振幅 A 都可以用数据字来定义。频率 的分辨率由相位累加器中的比特数确定;频率调制可以用改变频率控制字来实现相位
7、 的分辨率由 ROM 中的比特数确定;相位调制可以用改变瞬时相位字来实现振幅 A 的分辨率由 DAC 的分辨率确定。振幅调制可用在 ROM和 DAC 之间加数字乘法器来实现。用 DDS 完成相位、频率和振幅数字调制方框图如图三所示。二DDS 可以完成 FSK, ASK, PSK, QPSK, MSK, QAM 等调制，其调制方式是非常灵活方便的，调制质量也是非常好的。这样，就将频率合成和数字调制合二为一，一次完成，系统大大简化，成本、复杂度也大大降低。maxminmaxmin2()/()ooooffff相 对 带 宽.图三.用 DDS 完成相位、频率和振幅数字调制方框图2.1 AD9854 和
8、 89C51 的介绍和电路连接2.1.1 AD9854 的介绍一AD9854 芯片介绍 AD9854 是美国 ADI 公司最近推出的单片 DDS 芯片，简单结构框图如图 1 所示。它的主要特点为：内部高速、高性能的正交 D/A 转换器和高速比较器实现数字合成的正交的 I 和 Q 路输出。当输入一准确的参考频率，AD9854 就产生一高稳定的频率、相位、幅度可编程的正弦和余弦信号，作为本机振荡器用于通信、雷达等方面。AD9854 的 DDS 核具有 48bit 的频率分辨率（1mHz 步进），相位截断 17bit 保证了优良的无杂散动态比（ SFDR）指标。 AD9854 采用了先进的 35 微
9、米 CMOS 技术，使它只需+3.3V 的电源供应，它的电路工艺使同步正交信号输出的频率最高达 150MHz，平均每秒产生100 百万新频率。正弦信号输出经过外部平滑滤波后，可以通过内部比较器转化成方波，用于时钟产生。在高速时钟产生器的应用中，若 12bit 的“控制”DAC与内部的比较器相结合，能实现脉宽调制和静态周期控制。两个 12bit 的数字乘法器能实现数字幅度调制、波形成形和正交输出的准确的幅度控制。AD9854中 420 整数倍频器，能把外部输入的低速时钟转变成内部高速时钟（最高300MHz）。参考时钟可以选择单端输入和差分输入。AD9854 合成的信号频率稳定度高，DDS 是一个
10、信号波形的合成过程，是以标准参考振荡源的固定时钟.作取样时钟，对所需频率的信号进行相位取样，合成信号的频率不同，只反映了一个信号周期内的相位取样的数量不同。合成信号的稳定度直接由参考源的相位噪声决定，甚至还要低。合成信号的稳定度高，理论上可达STCLK/242Hz，这是传统方法难以实现的。频率变化速度快，在 AD9854 中，由于无需相位反馈控制，因而频率建立及切换快，并且与频率分辨率、频谱纯度相互独立。在芯片中，NCO 的相位改变是线性过程，形成的信号具有良好的频谱。此外，由于合成信号的频率、相位、幅度均可由数字信号控制，所以可以通过预置相位累加器的初始值来精确控制合成信号的相位，非常容易实
11、现灵活的高精度的数字调制，如 AM、PSK、FSK 、MSK 等，而且容易实现高精度的正交调制。2.1.2AT89C51 的介绍一单片机最小系统的设计AT89C51 是 ATMEL 公司生产的片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用 80C51 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图（2） 89C51 单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：(1) 有可供用户使用的大量 I/O 口线。.(2) 内部存储器容量有限。(3) 应用系统开发具有特殊性。图（2） 89C51 单片机最
12、小系统2.1.3.AD9854 与 AT89C51 的电路连接一用 AD9854 快速开发频率信号发生器的实例下面给出一种用 AD9854开发高精度频率信号发生器的简易方法，开发者只需要熟悉 MCS-51 单片机编程即可。该系统具有开发周期短，开发成本低的特点，也可以作为探索AD9854 功能的一种方法，它的电路原理图见图 2。系统主要由 DDS 芯片AD9854、单片机 AT89C51、看门狗定时器 X25045 和 LED 显示驱动芯片MAX7219 组成。在这个系统中提供了 8 位七段 LED 显示器，其中前五位为输出频率值，显示范围为 00.00099.999MHz，后三位为幅度显示位
13、，显示范围为 0999，表示幅值从零幅度到满幅度的变化。 对 AD9854 进行初始化控制时，首先，主复位脚（71 脚）必须置高 10 个系统周期以上，主复位的作用是初始化系统总线，置控制寄存器以缺省值。.3.1 软件设计一在系统中，用 MCS-51 系列单片机对 AD9854 进行控制，软件流程图如图 3 所示。实现并行写时序时序图如图 4 所示.二AT89C51控制 AD9854的 C语言程序如下。#include /51头文件#include #define USE_KEY 0#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#def
14、ine schar signed char#define sint signed int#define ulong unsigned long int/须主程序定义的参数sbit ADDR0 =P20; /定义端口sbit ADDR1 =P21; /sbit ADDR2 =P22; /sbit ADDR3 =P23; /sbit ADDR4 =P24; /sbit ADDR5 =P25; /sbit AD_FUD =P37; /UP_DATAsbit RUN =P32; sbit WR_LOW =P35; / WRsbit MASTER_RESET=P33; .bit bdata F_Flag,OneSec_Flag,Re_Flag,P_Flag;/uchar SecOne; uchar Time_count; uchar AD_Addr; uchar dats;uchar TAB_Data40;/初始化串口。配置定时器/ void initial_system()EA = 0;TMOD=0x21; /初始化定时器0PCON=0x00; SCON=0x50;TH0 = 0xdc; /10毫秒定时, 采用晶体11.0592 定时器0，方式1TL0 = 0x00;TH1 =
