基于AD9850的嵌入式信号源设计与实现
信号源是现代电子系统的重要组成部分，在通信、测控、导航、雷达、医疗等领域有着广泛的应用，而且信号源作为现代电子产品设计和生产中的重要工具，必须满足高精度、高速度、高分辨率、频率可调等要求。传统的RC或LC自激振荡器方式的信号源组成较繁杂，调试较困难，不易实现程控，已不能适应新的要求；而由采用专用IC芯片构成的信号发生器，例如使用MAX038或ICL8038集成芯片外接分立元件，通过调节外接电容或电阻来设置输出信号频率，其输出信号受外部分立器件参数的影响很大，且输出信号频率不能太高，同时无法实现频率步进调节，不便于扩展和较高的使用要求。另外，采用FPGA+D／A可实现正弦信号发生器的设计，同时可实现频率步进调节；但当输出高频信号时，需要高速D／A来配合工作，成本较高。频率合成与锁相技术的应用，可获得高精度的信号源。目前，频率合成技术是研制信号源的最关键技术。直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。DDS技术具有相对带宽宽，频率转换时间短，频率分辨率高，切换时相位能保持连续等优点，能实现各种调制波和任意波形的产生。易于实现全数字化的设计。广泛用于高精度频率合成和任意信号发生。
该设计采用直接数字频率合成(DDS)技术，使用DDS芯片AD9850与超低功耗的MSP430F149单片机配合，可输出精确控制的正弦波和方波信号。AD9850是AD公司推出的低功耗直接数字频率合成器芯片，可以产生从直流到62．5 MHz的宽频率信号，从投放市场至今已广泛应用于雷达系统、低功耗频率源中；MSP430是TI公司开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，该设计将AD9850与MSP430F149结合提出一种具有较高性价比和集成度、低功耗的嵌入式信号源设计方案。在控制流程中，通过4x 4矩阵键盘设定频率值，MSP430为AD9850计算频率控制字，并且将频率控制字通过串行方式写入其中，结合键盘上步进调节增量“1 Hz”，“10 Hz”，“100 Hz”键，使得频率可以精确到步长为1 Hz的调节；产生正弦波时，经过低通滤波器滤除信号的高频分量，通过增益可调的宽带放大器放大输出所需信号。如果接到AD9850内部的高速比较器上，即可直接输出一个抖动很小的方波，系统通过字符型液晶屏1602显示设定频率和其他信息。实验结果显示，输出信号频率范围在1 Hz～10 MHz，且无明显失真；输出信号频率实现1 Hz，10 Hz，100 Hz三级步进调节，频率精度0．01 Hz，频率转换速度1 ms，输出幅度范围1～10 V。
1 系统设计
1．1 DDS技术原理与结构
DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高，稳定性好，可灵活产生多种信号的优点。一个DDS信号发生器由相位累加器、波形数ROM表、D／A转换器以及模拟低通滤波器LPF组成，原理框图如图1所示。DDS技术的核心是相位累加器。相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值，随后通过查表变换，地址值被转化为信号波形的数字幅度序列，再由数／模变换器(D／A)将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压；最后经由低通滤波器将D／A输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形。DDS信号发生器通过改变相位增量寄存器的值△phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率。每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就与N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，它就作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D／A转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。最终，相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。合成信号的波形取决于ROM表中的幅度序列，通过修改数据可以产生任意波形，如果要产生多种波形，只需把所需的多种波形数据存放到波形ROM表中。
DDS系统输出正弦波的频率计算公式为：
式中：fo为输出正弦波的频率；fo为系统的时钟频率；FSW为频率控制字；N为相位累加器的字长，频率控制字与输出频率成正比。由取样定理，所产生的信号频率能超过时钟频率的50 %，在实际应用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33 %，以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。
DDS的频率分辨率定义为：
由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率；位数越多，分辨率越高。
该信号源采用DDS专用芯片AD9850产生正弦信号。AD9850采用CMOS工艺，其功耗在3．3 V供电时为155 mW，扩展工业级温度范围为-40～+80℃，采用28脚SSOP表面封装形式，AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850支持的时钟输入最高为125 MHz，频率控制字的位数为32位。由式(2)可以计算出在125 MHz时钟输入时分辨率为0．021 9 Hz，该设计中选用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式(2)计算得0．006 9 Hz。
1．2 系统总体设计
该系统采用MSP430F149对DDS进行控制构成方波正弦波信号源的系统框图如图2所示。
该信号源由MSP430F149单片机、DDS芯片AD9850、低通滤波器(LPF)、4×4软键盘、1602液晶显示屏和外部参考时钟源、宽带放大器和稳压电源等组成。其中，低通滤波器是信号源中的关键器件，负责滤除正弦输出信号中的高频、杂散信号和谐波信号；稳压电源的+5 V电压经过电平转换后为MSP430和AD9850提供+3．3 V的电源电压；外部参考时钟源选用30 MHz有源晶振，MSP430F149与AD9850采用串行通信方式连接。
1．3 硬件设计
该信号源选用MSP430F149作为核心控制器，为了节省I／O资源，方便系统功能扩展，MSP430与DDS芯片AD9850之间采用串行通信方式，接口电路如图3所示。AD9850与外围元件的硬件连接图如图4所示，AD9851的正弦输出信号端IOUT接至外部的低通滤波器，滤除高频杂散和谐波后，一路信号经过宽大放大器AD811放大后输出需要的正弦信号，另一路再回接到AD9851内部比较器的正向输入端(VINP)以得到方波信号。其中：DGND为数字地；AGND为模拟地；VCC为模拟部分的电源电压；VDD为数字部分的电源电压。D7，FQ_UD，W_CLK，RESET分别接至MSP430的P3．0，P3．1，P3．2，P3．3上。为降低噪声信号对放大器的影响，在低通滤波器与宽带放大器之间接一级高速电压跟随器隔离，AD9850的输出信号峰峰值为1～2 V，为增大AD9850输出信号幅值，采用单位增益带宽为140 MHz，Sr=2 500 V／μs的高速宽频带运放AD811进行信号放大，并且通过调节反馈电阻来改变增益，从而调节输出信号幅度。放大电路的最大放大倍数，可以满足一般的应用需求。
1．4 低通滤波器设计
低通滤波器是直接数字频率合成器的重要组成部分，其性能的优劣直接影响整个直接数字合成器的特性。在整个DDS实现过程中，低通滤波器除了滤掉高频信号之外，还有除去杂散的作用。DDS的杂散主要来源以下三个方面：
(1)ROM幅度量化误差：相位转化为幅度，是通过寻址ROM实现的，然而ROM地址中存有的波形幅度值字长是有限的，ROM存储能力有限而引起的舍位误差就是幅度量化误差；
(2)相位截断误差：为了提高DDS的精度，DDS的相位累加器位数都取得非常大，但ROM的容量是有限的，因此只利用相位累加器的高M位ROM寻址，其低(N-M)位被截断。由此引入的截断误差是DDS杂散的主要来源；
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