1、 摘 要本文主要介绍了采用直接数字频率合成 DDS 芯片实现正弦信号输出，并完成调频，调幅功能。它采用美国模拟器件公司（AD 公司）的芯片 AD9851，并用 AT89C51 单片机对其控制，首先从 DDS 芯片的输出，经低通滤波得到正弦信号，然后对该信号进行调频，调幅。其中调频部分可以通过在软件中修改 DDS 芯片的频率控制字，相位控制字等来实现，而调幅部分需在 DDS 输出正弦信号之后外加一调幅器实现。调幅部分将 DDS输出作为载波信号，RC 振荡器提供 1KHz 振荡作为调幅信号，它利用了乘法器 MC1496完成对正弦信号调制。该系统输出稳定度、精度极高，适用于当代的尖端的通信系统和精密
2、的高精度仪器。本文首先介绍了直接数字合成的原理，然后提出了系统总体设计方案，还有系统硬件电路和软件编写设计等，其中如采用的 AD9851 芯片和调幅模块电路设计作了详细介绍。关键词：直接数字频率合成(DDS)；AD9851；调频；调幅AbstractThis article mainly introduced uses the direct digital frequency to synthesize the DDS chip to realize the sine signal output, and completes the frequency modulation, the ampl
3、itude modulation function. It uses the American simulation component company (AD Corporation) chip AD9851, and with the AT89C51 monolithic integrated circuit to its control, first from the DDS chip output, obtains the sine signal after the low pass filter, then carries on the frequency modulation to
4、 this signal, the amplitude modulation. Frequency modulation partial may through revise the DDS chip in software the frequency control word, the phase control word and so on realizes, but the amplitude modulation are partial must after the DDS output sine signal sur- amplitude modulator realization.
5、 The amplitude modulation partially the DDS output took the intelligence signal, the RC oscillator provides the 1KHz vibration to take the amplititude-modulated signal, it used multiplier MC1496 to complete to the sine signal modulation. This system output stability, the precision are extremely high
6、, is suitable for the contemporary acme communications system and the precise precision instrument. This article first introduced the direct digital synthesis principle, then proposed the system system design plan, but also has the system hardware electric circuit and the software compilation design
7、 and so on, like uses the AD9851 chip and the amplitude modulation module circuit design has made the detailed introduction.Key word: Direct digital frequency synthesis (DDS)； AD9851； frequency modulation；amplitude modulation目 录引言 .11直接数字频率合成（DDS）原理及性能综述 .11.1 DDS原理 .11.2 DDS性能 .62 课题总体方案设计及论证 .72.1
8、 设计任务及初步规划设计.72.2 方案提出及系统整体设计框图 .72.2.1 系统各部分设计方案 .72.2.2 系统整体设计框图 .93 硬件电路设计 .93.1 直接数字频率合成模块 .93.1.1 AD9851 内部结构 .103.1.2 AD9851 芯片引脚分布及功能介绍 .103.2 单片机控制电路设计 .143.3 调幅模块设计 .163.3.1 MC1496 内部结构 .163.3.2 MC1496 静态工作点的设置 .173.3.3 MC1496 在振幅调制中的应用 .173.4 键盘与显示模块设计 .204 软件设计 .214.1 软件实现思想 .214.2 软件流程图及
9、程序 .225 系统调试 .305.1 硬件电路调试 .315.1.1 调试与测试所用仪器 .315.1.2 调试过程 .315.1.3 调试经验总结 .315.2 软件调试.315.3 总调 试 .316 结论 .32谢 辞 .34参考文献 .35附 录 .36桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 共 32 页引言在现代雷达，通信，宇航，仪表，电视广播，遥控遥测和电子对抗等系统中，一个能在一定频率范围内提供一系列高准确度和高稳定度的信号频率源有着广泛的应用价值，同时也是众多应用电子系统实现高性能的关键因素之一。随着应用频率和精度要求的不断提高，传统的晶体振荡器直接输出频率已不
10、能满足要求。因此，大量的频率合成（FS，Frequency Synthesis）技术得以广泛的使用。频率合成通过对一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源进行加、减、乘、除运算得到所需的频率。频率合成（FS）的方法有很多，按其工作模式可以分为：模拟合成和数字合成两种；按其实现的手段可以大致分为：直接合成和锁相环合成两种。目前应用较多的频率合成方式主要有：直接模拟合成，锁相环合成（PLL，phase Locked Loop）和直接数字合成（DDS，Digital Direct Synthesis） 。而直接数字频率合成（DDS）则是上个世纪70 年代，美国学者 j.Tierney 等人在撰写的“A
11、 Digital Frequency Synthesizer“一文中首次提出的以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。它将先进的数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）理论和方法引入到频率合成领域中，从而有效解决许多模拟合成技术无法解决的问题。限于当时的技术和器件水平，它的性能指标尚不能与已有的技术相比，故未受到重视。但由于 DDS 频率转换速度快，频率分辨率高，以及在频率转换时可保持相位的连续，易于实现多种调制功能，全数字化，可编程，易于微处理器控制，易于单片集成，体积小，价格低，功耗小，生产一致性好，因此，DDS 技术近年来得到
12、了飞速发展，它的应用也越来越广泛，可以说直接数字频率合成的兴起也标志着第三代频率合成技术的形成。 1直接数字频率合成（DDS）原理及性能综述1.1 DDS原理直接数字频率合成是近年来发展非常迅速的一种新型频率合成技术，其基本思想是基于正弦查找表。根据正弦函数的产生原理，直接对输入参考时钟进行抽样，数字化，从相位出发，用不同的相位给出不同的电压幅度，最后经滤波平滑输出所需的频率信号。DDS 主要由参考频率源、相位累加器、正弦表、转换器（Digital Analog Converter,简称 DAC）和低通滤波器（ LPF）等组成，其中相位累加器与正弦 ROM 查找表合称数控振荡器（Numeric
13、 Controlled Oscillator,简称 NCO） ，它是DDS 的核心。的结构原理图如图.1 所示，参考频率源是一个高稳定的晶体振荡器，其输出信号作为 DDS 合成频率的基准频率，同时保证 DDS 中各部件同步工作，来自单片机系统的频率控制字 K 控制相位累加器的累加次数，从而改变输出频率 的0f高低及其相位大小。-装 -订 -线-桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 共 32 页K输出 0f参考频率源 cf图 1.1 DDS 结构原理图相位累加器由位加法器与位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果
14、送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器（）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到转换器，转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的
15、模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。 在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。下面我们讨论 DDS 输出频率 的推导：0f一个频谱纯净的单频信号可表示为：（1.1）)2sin()(0tfUtu只要幅度 U 和初始相位 不随时间变化，是常数，它的频谱就是位于 的一条谱线。00f这里为说明问题方便起见，我们令 U=1， =0，即0（1.2）)(sin)si()si()0tttft这种单频信号的主要特性是它的相位是时间的线形函数，即N
16、CONbits 相位累加器正弦波形查 找 表DAC LPF桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 共 32 页（1.3）002)(ftt相位函数对时间的倒数就常数（1.4）0fdt这就是信号的频率。由式（1-3） ， （1-4）可知，相位函数是一条直线，它的斜率就是信号的频率。如果对式（1.2）信号进行采样，采样周期为 （即采样频率 ） ，则可得cTcTf/1到离散的波形序列(n=0,1,2,) （1.5）)2sin()0*cfu相应的离散相位序列(n=0,1,2,) （1.6）Tfc0*）（式中（1.7）ccff002是连续两次采样之间的相位增量。若采样值在采样间隔内进行保持，
17、则可得到阶梯状的相位和信号波形。根据采样定理，只要（1.8）2/10cf从式（1.5）的离散序列即可唯一地恢复出式（1.2）的模拟信号。保持的作用则是可使得所需模拟信号的分量加大，且将采样形成的高次谐波分量受到很大的抑制。因此，为合成（1.2）的模拟信号，可先生成与其相对应的阶梯信号，再经滤波而得到。从式（1.3）已经知道，是相位函数的斜率决定了信号的频率，从式（1.5）和（1.6）可见，决定相位函数斜率的则是两次连续采样之间的相位增量 。因此，只要控制这个相位增量即可控制合成信号的频率。综上所述，为合成所需频率的模拟信号，必须解决以下一些技术问题：(1) 需控制每次采样的相位增量，并输出模
18、的累加相位。这可以用相位累加器来2完成；(2) 将模 的累加相位变换成相应的正弦函数值的幅度，这里幅度可先用代码表示，2这可以用一只读存储器 ROM 来存储一个正弦函数表的幅值代码；(3) 将幅度代码变换成模拟电压，这可由数模变换器 DAC 来完成；(4) 相位累加器输出的累加相位在量词采样的间隔时间内是保持的，因而最终从 DAC输出的电压也是经保持的阶梯波，需经低通滤波器之后才能得到所需的模拟电压输出。因此，就有了如图 1.1 所示的 DDS 基本原理框图。DDS 的工作实质是以参考频率源（用作一个稳定时钟）对相位进行等可控间隔的采样。其工作过程为：桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸
19、第 4 页 共 32 页(1) 以输入数字信号 K 确定一个频率值；(2) 该频率值以数字信号累加至相位累加器以生成实时数字相位信息；(3) 数字相位“字”转换成正弦表中相应的数字幅度值：“字” ；(4) DAC 将数字幅度值转换成模拟幅度值；(5) DDS 产生的混叠于干扰由抗混叠滤波器处理后输出。由于： ，其中 为一个采样间隔 之间的相位增量，采)2/()/(tf t样周期 ，则：ccftT1（1.9）/0通过改变 的大小，就可以获得不同的频率输出。设相位累加器的字长为 N，控制 ROM 产生一整周正弦波输出是 L 位，则 相当于L2rad，而 L 位中的 MSB（最高有效位）相当于 ra
20、d，L 位中的 LSB（最低有效位）相2 当于 rad,同样，相位累加器 N 位中的 LSB 相当于 rad，即为最小相位增量，/ N2/因此，频率控制字 K 值对应的相位增量 为：（1.10）2/将（1.10）式代入（1.9）式，得（1.11）cNff0即通过改变 K 可以得到不同的频率输出 。0由式（1.3）可知 DDS 的频率分辨率（也是最小的频率间隔）为当 K=1 时的输出频率：（1.12）Ncresff2min可见参考输入时钟频率 一定时，其频率分辨率由相位累加器的位数 N 决定。若取cf=100MHz，N=32，则 =0.024Hz，即频率分辨率高达 0.024Hz，这也是最低的合
21、成cf res频率。输出频率精度高是 DDS 的一大特点。DDS 中输出滤波器采用 LPF，这是因为 DDS 合成信号是正弦波时，D/A 输出担心好中有许多不需要的寄生谱分量，只有基波分量才是所需的，因此在 D/A 之后需跟一个低通滤波器。由 Nyquist 准则可知，允许输出最高频率 为 /2，即 K ，但实际应用中max0fcf12N受 LPF 的限制， 小于 /2，以便滤除镜像频率，一般：maxofcf（1.13）cf%40由此可见，DDS 的工作频带较宽，可以合成从直流到 0.4 的频率信号，同时它的cf输出相位连续，频率稳定度高。在 DDS 中，输出信号波形的三个参数（频率 ，相位
22、和振幅 A）都可以用输入数据控制字来定义，因而可以完成数字调制。其频率调制可以由改变频率控制字来实现，桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 共 32 页相位调制可以由改变瞬时相位字来实现，振幅调制可以用在 ROM 的 DAC 之间加数字乘法器来实现。因此，许多厂商在生产 DDS ASIC 芯片时，就考虑了调制性能，可直接利用这些 DDS ASIC 芯片完成所需的调制功能，这无疑为实现各种调制方式增添了更多的选择，而且用 DDS 完成调制所带来的好处是以前粗多完成相同调制任务的调制方案所难以比拟的。一般的窄带带通信号调制输出可表示为：（1.14）)()(2tfjcceuRtS式中
23、是载波频率，u(t)是基带信号的等效低通信号波形。（1.15） 00 )()( njnnlr nTtgeATtgjItun式中 ， 分别为两路正交符号序列， ， 是相应符号的幅度和相角， 是基rIl )(tg本脉冲波形。当 是约束在 中传输时，)(tt当 （1.16）njneAt)( t)1(调制输出为：（1.17）2si()()( ncntfTtgts此调制波形 s(t)可由基于 DDS 的通用数字调制系统产生。输入数据首先转化成极坐标形式，其中的幅值经过成形和内插滤波器得到幅度调制值 ，相角 为)(nTtgAn相位调制值， 为调制中心频率。cfDDS 的频率调制高速可变性使其非常适合于进行
24、频率调制。如多级频移键控（MFSK）调制：（1.18）TnttfIftsnc )1(,)2/(2i)( 当式中 是载波频率， 为相邻频率间隔， 为输入数据 = 。显cf InI,31）（ 1M然，只需将 作为频率值就可以实现 MFSK 调制，若进一步 随时间跳变，/fIfnc cf则可以实现调频调制。（1.19）tnc dTgbTts )2(2o)( 式中 T 为符号时间， 为输入数据，g(t)为高斯低通滤波器的矩形脉冲响应， 是载n c波中心频率。可以推出 GMSK 信号的实时频率为：（1.20）nctt )()(输入数据经 g(t)的成形滤波再加上载波频率就生成频率调制值 ，这种方式实现0
25、FGMSK 调制，比正交调制简单而且直接准确地生成波形，兼实现简便和精度高的特点。由于 DDS 中 NCO 的相位，幅度都是数字的，所以用 DDS 非常易于实现灵活的高精度的数字调制，如 FSK，MFSK，ASK，PSK，QPSK，QAM，GMSK 等。其调制方式非常方便，调制质量非常好。基于 DDS 的调制系统可将频率合成和数字合成合二为一，系统大大简化，成本，复杂度也大大降低。正因为 DDS 的这些特点，在通信系统，跳频和扩频系统，电子战和干扰系统，多谱勒和线形调频雷达，无线电和电视广播设备，HDTV 以及测试设备等系统中必将会桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 共 32
26、 页有非常广泛的用途，尤其是，它很适宜用于数控多谱勒加到达角探测系统中。1.2 DDS性能相对于传统的合成技术而言，直接数字频率（DDS）由于采用了数字处理技术，因而能够避免许多传统技术的不足。相对于直接模拟合成和锁相环而言，直接数字频率（DDS）主要就有以下特点：(1) 输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为s（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到s。 (2) 频率转换时间短 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得的频率转换时间极短。事实上，在的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因
27、此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 (3) 频率分辨率极高若时钟s 的频率不变，的频率分辨率就由相位累加器的位数决定。只要增加相位累加器的位数即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数的分辨率在数量级，许多小于甚至更小。 （）相位变化连续 改变输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 （）输出波形的灵活性只要在内部加上相应控制如调频控制、调相控制和调幅控制，即可以方
28、便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生、和等信号。另外，只要在的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 （）其他优点 由于中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 目前已集成化的 DDS 芯片主要有 CMOS 型，TTL 型，ECL 型以及 GaAs 型等，其中 GaAs型稀密度，甚高速，信噪比可达 4075dB，ECL 型低密度集成，速度较高，而 CMOS 型价格便宜，速度较低。而各大芯片制造厂商都相继推出采用先进 CMOS 工艺生产的高性能和多功能的 DDS 芯片（其中应用较为广泛的是 AD 公司的 AD985X 系列） ，为电路设计
