摘要: 介紹了DDS 的基本原理， 并給出了以DDS 為基礎的用于數(shù)字頻率特性測試儀中的掃頻信號源的設計與實現(xiàn)方法， 該設計已通過實驗驗證并取得了良好的效果。

　　1 引言

　　在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和調(diào)試過程中，很多時候需要測量設備或網(wǎng)絡的頻率特性， 數(shù)字頻率特性測試儀用于測量二端口線性非時變網(wǎng)絡的頻率特性， 包括幅頻響應和相頻響應。頻率特性測量的關鍵是產(chǎn)生頻率步進的掃頻信號源， 該信號源的頻率、幅度及相位應能測定。以往的掃頻信號源大多是基于壓控振蕩器( VCO) 、函數(shù)發(fā)生器及鎖相環(huán)( PLL) 技術。這些技術存在轉(zhuǎn)換頻率時間長、頻率不高、硬件耗費比較大等問題。隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展， 由單片微處理機和直接數(shù)字頻率合成器( DDS) 為構成的DDS 掃頻信號源應運而生。與其他頻率合成方法相比較，DDS 技術的主要優(yōu)點是: 分辨率高; 頻率轉(zhuǎn)換速度快; 頻率切換時相位保持連續(xù); 合成頻率準確; 全數(shù)字化控制， 可與微處理器接口。DDS 對信號質(zhì)量的改善在于其系統(tǒng)的相位噪聲主要取決于參考時鐘振蕩器， 基本不受系統(tǒng)其他部分的影響?，F(xiàn)在，DDS 技術已經(jīng)廣泛應用于本振、信號發(fā)生器、儀器、通信、雷達等系統(tǒng)。

　　2 直接數(shù)字頻率合成(DDS) 技術原理

　　直接數(shù)字頻率合成(DDS，Direct Digital Synthesis)是一種新穎的頻率合成技術。這種技術的實現(xiàn)依賴于高速數(shù)字電路， 其工作速度主要受D/A 轉(zhuǎn)換器的限制。DDS 原理框圖如圖1 所示。

圖1 DDS 原理框圖

　　具體工作過程如下: 每來一個時鐘脈沖fc， N 位加法器將頻率控制字FSW 與相位寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加， 把相加后的結果送至相位寄存器的輸入端。相位寄存器一方面將在上一時鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端， 以使加法器在下一時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制字FSW相加; 另一方面將這個值作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路( 即圖1 中的正弦查找表) ，幅度/相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個地址輸出相應的波形數(shù)據(jù)。經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬正弦波形。頻率控制字FSW與輸出信號頻率fout 和參考時鐘頻率fc 之間的關系為:

　　由公式(1)可知， 頻率控制字FSW 與輸出頻率fout 成正比。

　　由取樣定理， DDS 所產(chǎn)生的信號頻率不能超過時鐘頻率的一半， 在實際運用中， 為了保證信號的輸出質(zhì)量， 輸出頻率不要高于時鐘頻率的33%， 以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內(nèi)。

　　掃頻信號源頻率分辨率fstep 直接取決于DDS 的頻率分辨率Δf， 計算公式如下:

　　3 掃頻信號源設計

　　數(shù)字頻率特性測試儀用來測量二端口線性時不變網(wǎng)絡的頻率特性。頻率特性是一個網(wǎng)絡對一系列正弦輸入信號的響應特性。如圖2 所示， 被測網(wǎng)絡輸入幅度為Ar， 角頻率為ω的正弦信號， 對于線性時不變網(wǎng)絡， 其穩(wěn)態(tài)輸出也是正弦信號， 幅度為Ac， 角頻率為ω， 相角差為φ。改變ω的大小， 可以得到一系列的輸入和輸出數(shù)據(jù)， 其中， 幅頻特性A( ω) 和相頻特性φ( ω) 統(tǒng)稱為頻率特性。頻率特性測試儀中的掃頻信號源為被測網(wǎng)絡提供激勵， 根據(jù)測量要求， 需產(chǎn)生一系列頻率高、轉(zhuǎn)換速度快、步進小、相位可控、頻率轉(zhuǎn)換時相位保持連續(xù)的正弦波。

圖2 系統(tǒng)傳輸特性。

　　3.1 AD9850 介紹

　　本儀器要求掃頻范圍為20 Hz～10 MHz， 采用美國ADI 公司的DDS 器件AD9850， 用單片機作控制器， 實現(xiàn)頻率的合成與控制。AD9850 內(nèi)部包括32位相位累加器， 正弦查找表和10 位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器， 是相位累加器。該器件時鐘參考頻率為125 MHz， 在該頻率下輸出正弦波的頻率為0.0291 Hz; 控制接口簡單， 可以用8 位并行接口或串行接口輸入控制數(shù)據(jù); 40 位控制字， 其中包括32位頻率控制字， 5 位相位控制字， 1 位電源休眠功能， 2 位廠家保留測試功能; 允許輸出相位以180°、90°、45°、22.5°、11.25°或者這些相位的組合為增量而改變; 先進的CMOS 工藝不僅使AD9850 性能優(yōu)異， 而且功耗小， +3.3 V 供電時， 功耗僅為155 mW;接上精密時鐘源， AD9850 可產(chǎn)生頻譜純凈， 頻率、相位編程控制的模擬正弦波輸出。

　　3.2 硬件設計

　　采用單片微處理機對DDS 進行控制， 構成掃頻信號源的電路非常簡捷， 其原理框圖如圖3 所示。

圖3 掃頻信號源電路框圖。

　　該掃頻信號源由單片機(MCU) 、DDS、低通濾波器( LPF) 和功率放大器組成。低通濾波器是掃頻信號源中的關鍵器件， 負責濾除輸出信號中所含有的高頻雜散信號和諧波信號。DDS 的輸出雜散有3 個主要 N 比特相位累加器只輸出高M位對正弦查找表進行尋址; 正弦查找表存儲的幅值編碼僅為有限位; DAC 的有限分辨率和非線性特性。DDS 的輸出中還包括基脈沖諧波譜Kfc±fout( K=1， 2， 3. ) ，本設計要求的頻率范圍: 20 Hz～10 MHz， 選用50 MHz 的時鐘源使諧波信號頻率遠離輸出信號頻率， 減小對低通濾波器的要求。

　　筆者設計了一個7 階的無源橢圓低通濾波器， 取得了較好的效果。功率放大器選用AD811， 其帶寬為100 MHz，在對DDS 輸出放大10 倍的要求下完全適用。

　　利用單片機AT89C52 可以對DDS 的邏輯和輸出信號進行實時控制。AD9850 的RESET 信號、W_CLK 和FQ_UD 信號直接由AT89C52 的P3 口提供。單片機與AD9850 的硬件連接原理圖如圖4 所示。

圖4 單片機與AD9850 的硬件連接圖。

　　AD9850 的輸出信號DDS_OUTPUT 接至外部的低通濾波器， 濾除高頻雜散和諧波后再接到由AD811 構成的功率放大器， 以提高負載性能。

　　3.3 軟件設計

　　在程序設計中， 需嚴格遵守AD9850 的時序要求。為了充分發(fā)揮器件的高速性能， 本系統(tǒng)設計選用8 位并行接口方式。其時序關系需滿足8 位總線D0- D7 將外部控制字輸入寄存器， 在W_CLK( 字輸入時鐘) 的上升沿存入個字節(jié)， 指針同時指向下一個輸入寄存器， 連續(xù)5 個W_CLK 上升沿讀取5個字節(jié)數(shù)據(jù)到輸入寄存器后， W_CLK 的上升沿則不再起作用。然后在FQ_UD( 頻率更新時鐘) 上升沿到來時將這40 位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位寄存器， 這時DDS 的輸出頻率和相位更新， 同時把地址指針復位到個輸入寄存器以等待下的頻率/相位控制字輸入。

　　DDS 的軟件流程如圖5 所示。

圖5 DDS 軟件流程圖。

　　本設計采用單片機C 語言編程， 并在計算中采用浮點運算， 以減小系統(tǒng)的計算誤差。其中傳送控制字部分的子程序如下:

　　void trans(void)

　　{ uchar i;

　　P0=0x00;//因不需相位變化, 故第1 個字節(jié)邏輯控制字

　　置0

　　wclk=1;

　　wclk=0;//第1 個字節(jié)的邏輯控制字裝入輸入寄存器

　　for(i=0;i<4;i++)

　　{

　　P0=unionv1.x[i];//將后4 個字節(jié)頻率控制字寫到P0 口

　　wclk=1;

　　wclk=0;//后4 個字節(jié)的頻率控制字裝入輸入寄存器

　　}

　　P0=0xff;//因P0 口還要與其他器件相連, 故置1 防止不

　　正常工作

　　fqud=1;

　　fqud=0;//將5 個字節(jié)( 40 位) 控制字從輸入寄存器裝

　　入到頻率/相位器存器

　　}

　　綜上可知， AD9850 初始化就是DDS 器件的復位， 復位后除輸入寄存器以外的寄存器清零， 輸出變成高阻， 復位脈沖的高電平至少保持5 個時鐘周期。邏輯控制字定義是否相位調(diào)制、低功耗選擇和置數(shù)模式。頻率控制字由公式( 1) 計算得出。

　　DDS 是近幾年出現(xiàn)的新一代頻率合成技術， 這里有幾點要提醒大家: 在程序設計中要注意DDS 的時序要求， 正確送出邏輯控制字、頻率控制字; DDS是超大規(guī)模CMOS 器件， 對時鐘信號的質(zhì)量要求比較高， 時鐘信號的上升沿和下降沿應無大的尖峰和凹坑， 時鐘信號用地線屏蔽; 給AD9850 的時鐘信號不能低于1 MHz， 低于1 MHz 時， 器件自動進入電源休眠方式， 高于此頻率時， 系統(tǒng)恢復正常; 要設計良好的去耦電路， 去耦電容盡可能靠近器件， 注意良好接地， 將模擬地、數(shù)字地分開。

　　4 結束語

　　介紹了DDS 技術的基本原理， 并給出了一種基于DDS 的數(shù)字頻率特性測試儀中掃頻信號源的系統(tǒng)構成和實現(xiàn)方法。直接數(shù)字頻率合成技術有很多優(yōu)點， 如: DDS 的輸出穩(wěn)定度取決于時鐘源的穩(wěn)定度; DDS 是個開環(huán)系統(tǒng)， 無反饋環(huán)節(jié)， 其頻率合成時間主要決定于輸出端低通濾波器的延遲時間， 適用于需頻率捷變的場合; DDS 可實現(xiàn)MHz級的頻率分辨率; DDS 的信號輸出是一個平穩(wěn)變化的過程， 其連續(xù)的相位是其他頻率合成所不具有的。DDS 的諸多優(yōu)點很好地滿足了掃頻信號源的要求， 但它也存在一定的缺點， 如輸出頻譜雜散較大， 另外， 輸出受限于器件的工作頻率。本課題在20 Hz ～10 MHz 數(shù)字頻率特性測試儀中將AD9850 應用于掃頻信號源， 取得了良好的效果，達到了預期的目標。