DDS基于AD9850的波形发生器设计

YibinYibin UniversityUniversity基于基于 DDSDDS 技术的任意波形发生器的设计技术的任意波形发生器的设计专专 业：业： 电子信息科学与技术电子信息科学与技术 学生姓名：学生姓名： 王蓟王蓟 邓青邓青 毕俊强毕俊强 张腾翼张腾翼 罗丽罗丽 院院 系：系： 物理与电子工程学院物理与电子工程学院 年级、班：年级、班： 20122012 级励志班级励志班 指导教师：指导教师： 文良华文良华 2014 年 6 月 6 日 摘摘 要要本系统设计一个正弦信号发生器。 ，使用 CORTEX-M4 单片机作为中央控制器，Cortex-M4 处理器是由 TI 专门开发的最新嵌入式处理器，用以满足需要有效且易于使用的控制和信号处理功能混合的数字信号控制市场。 高效的信号处理功能与 Cortex-M 处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合，旨在满足专门面向电动机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化市场的新兴类别的灵活解决方案。 传统的频率合成器，通常从一排晶振荡器产生的各种频率通过开关进行频率混合。也有的采用众所周知的锁相环(PLL)技术实现频率合成。随着数字技术的飞速发展，用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率，即直接数字合成技术(DDS)异军突起。本设计使用世界流行的美国 ADI 公司生产的 AD9850 频率合成器正是应用这种 DDS 技术的典型热门产品之一，AD9850 采用先地蝗CMOS 工艺，其功耗在 3.3V 供电时仅为 155mW，扩展工业级温度范围为-4080，采用 28 脚 SSOP 表面封装形式，结合 DDS 芯片 AD9850，产生015MHz 频率可调的正弦信号；调制信号为 1KHz 的正弦波，调制信号的产生采用 DDS 技术；系统采用全中文菜单操作方式，操作简单，快捷，且系统的精度和稳定性高。 关键字：正弦信号 CORTEX-M4 AD9850 DDS 技术1 前言前言信号发生器广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。本设计研究的信号发生器的基本思路是：基于 DDS 芯片 AD9850 基础的任意波形发生器。系统是基于 AD9850 芯片产生的波形。它是由相位累加器、正弦查询表、D/A 转换器组成的集成芯片。其中相位累加器的位数 N=32 位，寻址 RAM 用 14 位，舍去 18 位，采用高速 10 位数模转换，DDS 的时钟频率为 125MHz，输出信号频率分辨率可达 0.0291Hz；系统的微处理器采用CORTEX-M4，外围电路主要是接口电路、调幅电路、滤波电路和积分电路的设计。同时还包括键盘接口。系统的软件主要是启动和初始化 CORTEX-M4，然后处理键盘输入的频率控制字和相位控制字，并将其转换为 32 位的二进制数的控制字，最后并行递交给 AD9850 并启动 AD9850，让它实现从正弦查询表中取数产生波形再输出。2.方案设计2.1 DDS 的基本原理1971 年，美国学者 J. Tierncy, C. M. Rader 和 B. Gold 提出了以全数字技术，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。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。近20 年间，随着技术和器件水平的提高，一种新的频率合成技术直接数字合成频率合成（DDS）得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS 基本原理图如图 1 所示，DDS 由相位累加器，只读存储器，数模转换器 DAC 及低通滤波器组成。以合成正弦波为例，幅值表 ROM 中存有正弦波的幅值码，相位累加器在时钟 fc的触发下，对频率控制字 K 进行累加，相位累加器输出的相位序列（即相码）作为地址去寻址 ROM，得到一系列离散的幅度编码（即幅码） 。该幅码经过 DAC 变换后得到模拟的阶梯电压，再经过低通滤波器平滑后，即得到所需的正弦信号。一般将相位累加器和 ROM 合称为 NCO（数控振荡器）Clockba相位累加器波形存储器D/ALPF频率控制字图 1 DDS 的基本原理图相位累加器的结构如图 2 所示，由 N 位字长的二进制加法器与一个由时钟取样所得的 N 位二进制相位累加寄存器级联构成，加法器的一个出入端与相位寄存器的输出端相连，另一个输入端相连，另一个输入端是外部的频率控制字 K。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果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的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下，进行线性相位累加，当相位累加器累加满是就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是 DDS 合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是 DDS 输出的信号频率。图 2 相位累加器的结构设相位累加器的位数为 N，时钟频率为 fc, 当频率控制字为 K 时，DDS 的输出频率 fo为：fo=K×fc/2N2.2 DDS 的特点其主要优点有：（1）频率转换快：DDS 频率转换时间短，一般在纳秒级；（2）分辨率高：大多数 DDS 可提供的频率分辨率在 1 Hz 数量级，许多可达 0.001 Hz；（3）频率合成范围宽；（4）相位噪声低，信号纯度高；（5）可控制相位：DDS 可方便地控制输出信号的相位，在频率变换时也能保持相位联系；（6）生成的正弦/余弦信号正交特性好等。因此，利用 DDS 技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号这在电子测量、雷达系统、调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。2.3 系统的总体设计2.3.1 本设计的技术指标本设计要求的波形发生器可产生正弦波、方波、三角波以及便于产生频率可变而且具有高分辨率的波形。它要求频率范围在 0MHz40MHz，要求幅值范围在 -10V+10V。2.3.2 系统方案本设计采用的是直接数字法设计波形发生器中的基于相位累加器的数字频率合成法。这种结构主要由相位累加器、数据存储器、D/A 转换器、低通滤波器组成，它是一种全新的直接数字合成方式。图3 基于相位累加器的直接数字合成结构图在此设计中的基于 DDS 技术的信号发生器，是通过用单片机编程将控制字并行送入 DDS 芯片 AD9850，然后由 AD9850 产生波形输出，即采用基于相位累加器的数字频率合成法，利用直接数字合成芯片 AD9850 产生波形。在该芯片中集成了相位累加器、正弦查询表、D/A 转换器以及高速的比较器。我们再加入单片机、滤波器和一个微分电路就可实现我们所要的波形了。要想实现我们想要的频率和幅度值，因为在 DDS 系统中决定频率大小的是频率控制字，所以我们可以通过键盘由用户键入十进制数，再由单片机编程控制将十进制转化成对应的二进制，然后送入 AD9850 产生波形。而幅值是通过调幅电路实现的。2.3.3 系统原理图考虑到各方面的原因，可以得到系统框图如下：图4 系统总框图此系统主要由键盘、接口电路、M4、DDS 芯片 AD9850 及调理电路 5 部分组成。外围电路由单片机的复位电路和振荡电路组成。调理电路部分由低通滤波器、调幅电路和微分电路组成。3 单元电路设计3.1 单片机的选择现在单片机种类比较多，在本设计中我们选择 CORTEX-M4 单片机。 CORTEX-M4 单片机的基本组成请参见图 5 图5 CORTEX-M4 单片机结构框图Cortex-M4 处理器已设计为具有适用于数字信号控制市场的多种高效信号处理功能。Cortex-M4 处理器采用扩展的单周期乘法累加 (MAC) 指令、优化的 SIMD 运算、饱和运算指令和一个可选的单精度浮点单元 (FPU)。这些功能以表现 ARM Cortex-M 系列处理器特征的创新技术为基础。 32 位 ARM Cortex-M4F 架构针对小封装嵌入式应用进行了优化 80-MHz 运行速度；100 DMIPS 性能 优越的处理性能和更快的中断处理。 混合 16 位/32 位的 Thumb-2 指令集提供与 32 位 ARM 内核所期望的高性能而采用了更紧凑的内存大小，而这通常在 8 位和 16 位设备相关的存储容量中，特别是在微控制器级应用的几千字节存储中。 单周期乘法指令和硬件除法器 精确的位操作（bit-banding） ，不仅最大限度的利用了存储器空间而且还改良了对外设的控制 非对齐式数据访问，使数据能够更为有效的安置到存储器中 符合 IEEE754 的单精度浮点单元 (FPU) 16 位 SIMD 矢量处理单元 快速代码执行允许更低的处理器时钟和增加休眠模式时间 Harvard 结构 - 将数据和指令所使用的总线进行了分离 高效的处理器内核，系统和存储器 硬件除法和以快速数字信号处理为导向的乘加 采用饱和算法处理信号 对时间苛刻的应用提供可确定的, 高性能的中断处理 存储器保护单元为操作系统机能提供特权操作模式 增强的系统调试提供全方位的断点和跟踪能力 串行线调试和串行线跟踪减少调试和跟踪过程中需求的管脚数 从 ARM7 处理器系列中移植过来，以获得更好的性能和电源效率 针对高达指定频率的单周期 Flash 存储器使用情况而设计。详见 “内部存储器”图6 CORTEX-M4 引脚图Cortex-M4F 系统组件细节Cortex-M4F 包含以下系统组件： SysTick24 位的递减定时器，可被用作实时操作系统 (RTOS) 的节拍定时器，或者作为一个简单的计数 器，参见 “系统定时器（SysTick） ” 嵌套式向量化中断控制器（NVIC）一个嵌入的中断控制器，支持低延迟中断处理，参见 “嵌套式向量化中断控制器 （NVIC） ” 系统控制模块 (SCB)处理器的编程模型接口。系统控制块 (SCB) 提供系统实现信息和系统控制，包括系统异常的配 置、控制和报告（请参考“系统控制模块 (SCB)” （107 页） ）。 存储器保护单元 (MPU)通过为不同的内存区定义内存属性来提高系统的稳定性。MPU 提供多达 8 个不同区和一个可选 的预定义的背景区，参见 “存储器保护单元 (MPU)” 浮点单元 (FPU)完全支持单精度的加、减、乘、除、乘加以及平方根操作。它还可用于转换定点和浮点数据格 式，并提供浮点常数指令3.2 DDS 芯片 AD9850 的主要性能AD9850 是美国 AD 公司生产的最高时钟速率为 125MHz ,采用先进的CMOS 技术制造出来的直接数字式频率合成器。它具有频率分辨率高、输出频谱纯度高和快速频率转换等性能,同时,该器件还具有体积小、使用简便、性能价格比高的优点。在便携式通信、雷达系统、跳频通信等领域具有广泛的应用前景。AD9850 的主要性能特点(1)125MHz 时钟速度(2)集成在一块集成电路板上的高性能 DAC 和高速比较器(3)在 40MHz 模拟输出时，DAC 输出的 SFDR>50db(4)32b 频率控制字(5)简单的控制接口：并行或串行输入形式(6)具有相位调制能力。(7) +3.3V 或+5V 电源均可工作。(+5V 时，380mW、125M 时钟；+3.3V 时，155mW)(8)功率下调功能(9)极小的 28 管脚表面封装形式A