摘 要：本文結合直接数字频率合成（DDS，Direct Digital Synthesis）对低频数字程控信号源的设计要点进行分析，其是继直接频率合成和锁相环频率合成之后发展起来的第三代频率合成技术。首先概述了程控信号源，简述了低频数字程控信号源的原理，对低频数字程控信号源的设计要点进行了简要分析。
关键词：程控信号源；DDS（直接数字频率合成）；原理；设计要点
一、程控信号源的概述
信号源就是能够产生各种测量信号的来源，也称为信号发生器、信号振荡器等，其主要作为激励信号或仿真信号，广泛应用在航空航天、国防电子、电力电子、电子设计、生产测试等领域。目前信号源可以分为可程控和传统（不可程控）信号源两类。程控信号源同传统信号源相比，程控信号源在操作方式、稳定性、精度等方面的优势是相当明显，目前程控信号源的设计主要是应用频率合成技术来实现。
二、低频数字程控信号源的原理
DDS主要是由相位累加器、波形存储器、数模转换器和低通滤波器组成。DDS的基本原理就是在fs.max≥2fmax.，时对一个连续的正弦波信号，进行相同时间的相位幅度采样，得到一组周期信号的幅度相位值，这样就把一个连续的正弦波信号转换成一系列离散的二进制序列，并存储在DDS波形存储器中。这样就构成了与2π才周期相对应的正弦函数查找表。参考时钟是一个稳定的晶体。振荡器，用来同步整个合成器的各个部分。相位累加器类似于一个简单的计数器，在每个时钟脉冲输入时，它的输出就增加一个步长的相位增加量。相位累加器把频率控制字K的数据变成相位抽样来确定输出频率的大小。当用这样的数据寻址时，正弦查找表就把存储在相位累加器中的抽样值转化成正弦波幅度的数字量函数。再经D/A变换把数字量变成模拟量，然后由低通滤波器进一步平滑并滤掉杂散信号，得到所需波形。
三、低频数字程控信号源的设计要点分析
本文采用DDS技术来进行开发，本系统采用的是AD公司生产的AD9850芯片，单片机选用的是Atmel公司的AT89S51，再辅以必要的模拟，数字电路，就构成了一个基于DDS技术的低频程控信号发生器。
1.硬件设计要点
要点有：①硬件电路所用元器件。以下对系统核心元件AD9850及单片机进行分析。第一、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。可编程DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中00-3600范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC以输出模式量。第二、本信号源使用美国ATME公司生产的8位单片机—AT89S51作为程控信号源的控制器件。AT89S51是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS结构的8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，并且将多功能8位CPU和FLASH存储器组合在单个芯片中；②硬件电路部分。第一、计算机控制及接口部分。硬件上接口电路的结构。其中MAX232A是美国MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232C接口所需的士lOV电压，尤其适用于没有士12V的单电源系统。这也是本系统选用这款芯片的一个原因。由于微机串口信号的电平是RS-232C电平，而单片机信号的电平是TTL电平，要实现二者串行通讯，就必须要进行串行口输入/输出信号的电平转换，MAX232A的作用就在于此。第二、单片机控制部分。该部分包括单片机控制AD9850，单片机控制幅度部分，单片机控制波形选择三个控制环节。其中最核心的是单片机控制AD9850部分，只有单片机正确控制AD9850产生相应的正弦波和方波，后面的幅度控制以及波形选择控制才有意义，因此该部分是整个系统最核心的一个环节。为了充分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式。
2.软件设计要点
软件设计部分分为Lab VIEW的程控界面设计和单片机的编程：①Lab VIEW程控界面的设计。结合本系统计算机的Lab VIEW控制界面，了解波形参数中的波形选择、相位、幅度、频率等四个参数，用户可以按照需要进行选择，然后点击发送即可将这些信息通过串口发送给单片机，再通过单片机控制AD8950产生相应的波形。依据计算机的串口设置，结合单片机的工作方式，将其设置为：2400的波特率，1位起始位，8位数据位，无校验位，1位停止位。因为单片机采用多大速率和什么接收格式是在固化单片机程序的时候就确定了，如果调节这些设置，还要重新更改单片机程序，所以该部分被设置为不可更改。同时为了界面的美观，可以增加一个图形显示控件，由相应的参数模拟了一个波形显示在该控制面板上；②单片机的编程。单片机程序是采用MCS-51汇编语言编写的，通常单片机开发需要用到的主要工具有：开发环境，编程器，调试器等。由于本系统的单片机程序相对简单，就没有使用调试器了，开发环境用的是MCS-51集成开发环境，编程器用的是Top2000系列的。整个单片机程序的结构可以看成是由主程序以及若干个子程序组成的。主程序完成的主要工作就是一个初始化过程，然后就是等待串口中断，也就是等待接收AD9850新的控制字参数。初始化的过程分为单片机串行通讯的初始配置以及对AD9850的初始控制。
四、结束语
综上所述，直接数字频率合成（DDS）采用了高速数字电路和高速D/A转换技术，其在相对带宽、频率转换时间、频率分辨率、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达到的水平，并且基于其性价比高的特征，在便携式通信、雷达系统、跳频通信等领域被广泛使用。
参考文献：
[1]徐建兵，程国辉.一种声表面波直接频率合成器[J].压电与声光，2001，06.
[2]史飞，喻洪麟.一种数字锁相环频率合成器的设计[J].半导体技术，2003，11.
相关热词搜索： 信号源 低频 要点 数字 设计
