DDS信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成（Direct Digital Synthesis，簡稱DDS）技術(shù)，把信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度提高到與基準(zhǔn)頻率相同的水平，并且可以在很寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的頻率調(diào)節(jié)。采用這種方法設(shè)計的信號源可工作于調(diào)制狀態(tài)，可對輸出電平進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可輸出各種波形。

　　DDS原理

　　在介紹DDS信號發(fā)生器原理之前我們先了解一下DDS原理。

　　若對一正弦波形進(jìn)行采樣，每周期為 m 個采樣點(diǎn)，分別記為 1～m。 對應(yīng)每次參考時鐘 f c ， 輸出一個采樣點(diǎn)，輸出圖中所示的一個周期的正弦，需要 m 個時鐘周期，則輸出的波形頻率為 f a =f c/m。對于這種情況， 每次時鐘到來時，相位累加器加 1 ，則就會在第 i 個時鐘周期輸出 第 i 個采樣點(diǎn)（ i = 1～m） ，第 m + 1 個時鐘輸出第 1 個采樣點(diǎn)，以此循壞，這時的相位累加器實(shí) 際上是步進(jìn)為 1 的模 m 計數(shù)器。 如果每次時鐘到來時， 總是間隔一個采樣點(diǎn)輸出，即相位累 加器的步進(jìn)為 2 ，這時在第 i 個周期輸出第 2i 個采樣點(diǎn)，輸出波形如圖 1. 2 的波形 b，顯然波 形 b 的頻率是 a 的 2 倍，即 f b = 2 f a 。

　　綜上所述，如果相位累加器的步進(jìn)為 B， 則輸出波形的頻率為 B×f a ， f a 是最小的輸 出頻率稱為頻率分辨率或步進(jìn)間隔， B 為頻率控制字。給定不同的頻率控制字即可輸出不同 的頻率。頻率輸出公式為： f 0 = fc/m* B

　　在實(shí)際設(shè)計中，如果累加器長度為N ，則可以有2N 個存儲單元存儲采樣數(shù)據(jù)，如果我們 對一個周期的波形進(jìn)行2N 個點(diǎn)的采樣，即m = 2N ， 此時輸出頻率f o 和系統(tǒng)時鐘頻率f c ，相 fc f0 = N B 2 位累加器長度N 以及頻率控制字B的關(guān)系為： 為了使波形輸出不失真，根據(jù)奈奎 斯特定理， B最高為2 N - 1 。另外要提高DDS 的精度，就需要分母越大越好，即采樣點(diǎn)的個數(shù) 越多，越接近實(shí)際波形。但實(shí)際上不可能提供如此之多的存儲空間，這就需要對采樣點(diǎn)進(jìn)行量 化。如圖1 （c） 所示，如果量化單位為K，則前K 個點(diǎn)的值總是相同的，為采樣值1 ，第二組K 個 采樣點(diǎn)的值為采樣值2 ，以此類推，第i 組K 個采樣點(diǎn)的值為采樣值i ， 共需要m/K個存儲單元 來存儲m/K個采樣點(diǎn)。

　　DDS 的雜散來源之一就是相位累加器相位舍位造成的雜散。現(xiàn)有的頻率控制主要采用 二進(jìn)制頻率控制原理。這是因?yàn)?FPGA 采用二進(jìn)制的數(shù)據(jù)處理機(jī)制以及波形存儲器的二進(jìn) 制尋址方式，所以通常情況下 mK、m、K 都是二進(jìn)制整數(shù)，如 m = 2^N ，這就要求對計算結(jié)果 進(jìn)行十進(jìn)制近似取舍，造成了波形發(fā)生器的輸出頻率以及頻率分辨率存在無法消除的誤差。

　　DDS 以數(shù)控振蕩器的方式，產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦，電路包括了基準(zhǔn)時鐘源、相位累加器、相位調(diào)制器、正弦ROM 查找表、D/A 轉(zhuǎn)換 器和低通濾波器等。 頻率控制字N 和相位控制字M 分別控制DDS 所輸出的正弦波的頻率和相 位。DDS 系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個N 位累加器與N 位相位寄存器構(gòu)成。時鐘脈沖每觸發(fā)一次， 累加器便將頻率控制數(shù)據(jù)與相位寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加， 然后把相加后的結(jié)果送至相位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。 相位寄存器將累加器在上一個時鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到累加器的輸入端， 以使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。 這樣， 相位累加器在參考時鐘的作用下將進(jìn)行線性相位累加， 當(dāng)相位累加器累加滿時， 就會產(chǎn)生一次溢出， 以完成一個周期性的動作， 這個周期就是DDS 合成信號的一個頻率周期， 相位累加器的溢出頻率就是DDS 輸出的信號頻率。 相位寄存器的輸出與相位控制字相加， 結(jié)果作為正弦查找表的地址。 查找表由ROM 構(gòu)成， 其內(nèi)部存有一個完整周期正弦波的數(shù)字幅度信息， 每個查找表的地址對應(yīng)正弦波中的一個相位點(diǎn)。 查找表把輸入地址信息映射成正弦波幅度信號， 同時輸出到D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入端， 通過D/A 可將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求的合成頻率模擬量形式信號。 低通濾波器用于衰減和濾除不需要的取樣分量， 以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。

　　DDS信號發(fā)生器原理

　　DDS信號發(fā)生器原理是建立在采樣定理基礎(chǔ)上，首先對需要產(chǎn)生的波形進(jìn)行采樣，將采樣值數(shù)字化后存入存儲器作為查找表，然后通過查表讀取數(shù)據(jù)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，將保存的波形重新合成出來。DDS基本原理框圖如圖所示。

　　

　　除了濾波器之外，DDS系統(tǒng)都是通過數(shù)字集成電路實(shí)現(xiàn)的，易于集成和小型化。系統(tǒng)的參考時鐘源通常是一個具有高穩(wěn)定性的晶體振蕩器，為各組成 部分提供同步時鐘。頻率控制字（FSW）實(shí)際上是相位增量值（二進(jìn)制編碼）作為相位累加器的累加值。相位累加器在每一個參考時鐘脈沖輸入時，累加一次頻率，其輸出相應(yīng)增加一個步長的相位增量。由于相位累加器的輸出連接在波形存儲器（ROM）的地址線上，因此其輸出的改變就相當(dāng)于查表。這樣就可以通過查表 把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）查找出來。ROM的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。

編輯推薦：四十種DDS信號發(fā)生器資料專題

　　DDS信號發(fā)生器設(shè)計

　　1、方案設(shè)計與論證

　　設(shè)計的DDS信號發(fā)生器系統(tǒng)以STC89C52芯片為核心控制，通過可編程放大電路實(shí)現(xiàn)了正弦波、方波的輸出功能，其頻率步進(jìn)值和幅度步進(jìn)值達(dá)到了設(shè)計要求。

　　本設(shè)計采用直接數(shù)字頻率合成。單片機(jī)從鍵盤獲得控制信息，控制兩路DDS芯片AD9850產(chǎn)生的兩路設(shè)定頻率的正弦波和方波。輸出信號經(jīng)過調(diào)整后輸入AD7524可以在單片機(jī)的控制下完成對信號的程控誤差。從DDS模塊輸出的兩路信號經(jīng)過低通濾波和直流偏置將兩路信號輸入模擬乘法器AD835，一路作為載波，一路作為調(diào)制波，從AD835產(chǎn)生調(diào)制波。同時可以將DDS信號輸入到CD4046B芯片進(jìn)行振蕩輸出調(diào)頻信號。

　　整體設(shè)計方案：以單片機(jī)STC89C52為核心，完成四方面的功能：采用DDS專用芯片AD9850產(chǎn)生正弦波和方波，高帶DA轉(zhuǎn)換器AD7524控制AM調(diào)制度，接收紅外遙控的控制碼，同進(jìn)LCD液晶顯示所有數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)如圖所示。

　　

　　2、理論分析、計算與各模塊設(shè)計

　?。?）DDS波形產(chǎn)生電路設(shè)計

　　DDS基本原理：正弦波形一個周期離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存于ROM（或RAM）中，按一定的地址間隔（相位增量）讀出，由D/A轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號，經(jīng)過低通濾波，濾除D/A帶來的小臺階和數(shù)字電路產(chǎn)生的毛刺，即可獲得所需要的正弦信號。AD9850可以產(chǎn)生正弦波、方波。AD9834內(nèi)部的相位累加器的字寬為32位，SIN函數(shù)表有4096樣點(diǎn)值，因此32位的相位累加器輸出僅截取12位用于查表。其內(nèi)部原理框圖如下：

　　

　　AD9850參數(shù)：

　　最高參考時鐘為125MHz，輸出頻率分辨率可達(dá)0.0291Hz，允許產(chǎn)生最高輸出頻率62.5MHz。芯片內(nèi)部提供5bits數(shù)字控制相位調(diào)制，

　　

　　AD9850有32位相位累加器，而ROM為14位，將32位累加器的輸出截高位的14位輸入正弦（ROM）查詢表，從查詢表輸出給D/A。D/A的輸出是兩個互補(bǔ)的模擬電流，在12腳處接一個電阻Rset，使?jié)M量程輸出為10～20mA電流，經(jīng)過濾波器輸出正弦波。

　　AD9850主要引腳說明：

　　1、（D0～D7）：8bit數(shù)據(jù)輸入端。用于下載32bit頻率調(diào)節(jié)字和8bit相位控制字。

　　2、（W-CLK）：字裝載時鐘，用于裝載并行或串行的頻率/相位/控制字

　　3、（RSET）：DAC外接電阻，該電阻決定DAC輸出電流的最大值。對于典型應(yīng)用（IOUTmax=10mA）時，RSET的值為3.9kΩ，另一端連接到地線。外接電阻RSET與DAC輸出電流 IOUT的關(guān)系為

　　

　　電路原理圖如圖2-2所示：

　　

　　圖2-2 DDS波形產(chǎn)生電路

　　（2）程控衰減電路設(shè)計

　　程控衰減電路由D/A轉(zhuǎn)換芯片AD7524構(gòu)成，主要利用此D/A芯片的可程控電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成基于AD7524構(gòu)成的程控衰減器，而在其輸出端得到幅度可控的正弦波。由AD7524的8位數(shù)據(jù)輸入端進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)1~1/56級衰減。其相關(guān)電路如圖2-3所示：

　　

　　圖2-3 程控衰減電路

　?。?）模擬AM電路設(shè)計

　　該電路選用AD835作為乘法器，將載波和調(diào)制信號相乘得AM信號，其兩路輸入信號幅值可達(dá)到-1V—+1V，對噪聲可形成較強(qiáng)的抑制能力。另外，普通雙邊帶調(diào)制需要調(diào)制信號疊加直流成分，因此調(diào)制信號在輸入到乘法器前需經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路為調(diào)制信號疊加適當(dāng)?shù)闹绷?。由于前級的調(diào)制信號是由程控衰減器輸出，所以在程控衰減器初始輸出的情況下，可以通過調(diào)節(jié)電平轉(zhuǎn)換電路的直流偏置，使模擬AM電路的初始輸出的調(diào)幅波形的調(diào)制度調(diào)整至1。這樣設(shè)置可以為之后的程控調(diào)制帶來方便。通過P8的跳線可以選擇調(diào)制波為方波，從面實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制。其電路如圖所示。

　　

　　圖2-4 AM信號產(chǎn)生電路

　?。?）模擬FM電路的設(shè)計

　　頻率調(diào)頻信號的基本特點(diǎn)是它的瞬時頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化，因而，一種最容易想到的方法是用調(diào)制信號直接控制振蕩器的振蕩頻率，使其不失真地反映調(diào)制信號的變化。通常將這種直接調(diào)變振蕩器頻率的方法稱為直接調(diào)頻法。本設(shè)計中，使用鎖相環(huán)集成電路CD4046內(nèi)部自帶的VCO產(chǎn)生FM波。通過P10 的跳線可以選擇方波為調(diào)制波，從而實(shí)現(xiàn)FSK。其電路如5所示。

　　

　　圖2-5 FM、FSK信號產(chǎn)生電路

　?。?）控制與顯示電路

　　輸入控制采用紅外遙控器控制，通過HS0038紅外一體化接收頭解碼、放大，將控制碼發(fā)送給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制DDS模塊、程控衰減模塊產(chǎn)生不同的波形。

　　顯示部分使用128*64點(diǎn)陣寬屏液晶，可以顯示不同模式下的頻率及波形，達(dá)到直觀、形象的效果。

　　此模塊如圖所示：

　　

　　3、程序設(shè)計

　　主程序流程圖如圖所示

　　

　　4、代碼

　　AD9850的驅(qū)動程序C文件

　　#include《intrins.h》

　　#include “AD9850I.h”

　　#include “l(fā)cd12864.h”

　　//unsigned char freq［8］; //液晶顯示8種步進(jìn)頻率值

　　unsigned char freq［8］={0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00};

　　/********************

　　函數(shù)：AD9850Reset

　　功能：AD9850的復(fù)位函數(shù)

　　********************/

　　void AD9850Reset（void）

　　{

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850FQUD = 1;

　　// AD9850ReSet = 0;

　　// AD9850ReSet = 1;//復(fù)位腳置高電平（10個AD9850的時鐘周期）

　　// _nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;

　　// _nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;//延時，其實(shí)不用這么長

　　// AD9850ReSet = 0;//復(fù)位完成，再拉低

　　}

　　/*步進(jìn)按鍵函數(shù)*/

　　void f10Mhz（void） //10Mhz步進(jìn)

　　{

　　freq［0］=freq［0］+1;

　　if（freq［0］》=10）

　　{

　　freq［0］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　void f1Mhz（void） //1Mhz步進(jìn)

　　{

　　freq［1］=freq［1］+1;

　　if（freq［1］》=10）

　　{

　　freq［1］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　void f100Khz（void） //100Khz步進(jìn)

　　{

　　freq［2］=freq［2］+1;

　　if（freq［2］》=10）

　　{

　　freq［2］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　void f10Khz（void） //10Khz步進(jìn)

　　{

　　freq［3］=freq［3］+1;

　　if（freq［3］》=10）

　　{

　　freq［3］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　void f1Khz（void） //1Khz步進(jìn)

　　{

　　freq［4］=freq［4］+1;

　　if（freq［4］》=10）

　　{

　　freq［4］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　void f100Hz（void） //100hz步進(jìn)

　　{

　　freq［5］=freq［5］+1;

　　if（freq［5］》=10）

　　{

　　freq［5］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　void f10Hz（void） //10hz步進(jìn)

　　{

　　freq［6］=freq［6］+1;

　　if（freq［6］》=10）

　　{

　　freq［6］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　void f1Hz（void） //1hz步進(jìn)

　　{

　　freq［7］=freq［7］+1;

　　if（freq［7］》=10）

　　{

　　freq［7］=0;

　　}

　　display_led（）;

　　}

　　/***計算控制字************/

　　/***入口：頻率數(shù)組指針***出口，控制字值*****/

　　unsigned long jisuan（unsigned char data *fno）//*fno-0》freq［0.。.7］

　　{

　　unsigned long dds_no ;

　　dds_no=

　?。?（fno+7））*FF0+

　?。?（fno+6））*FF1+

　?。?（fno+5））*FF2+

　　（*（fno+4））*FF3+

　?。?（fno+3））*FF4+

　?。?（fno+2））*FF5+

　　（*（fno+1））*FF6+

　?。?fno）*FF7 ;

　　return（dds_no）;

　　}

　　/********************

　　**函數(shù)：AD9850SetFre

　　**功能：AD9850設(shè)定頻率控制字函數(shù)

　　**參數(shù)：Fre，float型，要設(shè)定的頻率，單位Hz

　　********************/

　　void AD9850ISetFre（）

　　{

　　unsigned long FTW = 0;//要寫入的32位頻率控制字（AD9850一次需要寫入40位控制字）

　　unsigned char part1，part2，part3，part4;

　　FTW=jisuan（freq）;

　　// if（FTW 》 30000000）

　　// FTW = 30000000;

　　// FTW = （unsigned long） （Fre * AD9850_125M）;//計算頻率控制字（公式：FTW=（2^32/fosc）*Fre）

　　/*以下將32位頻率控制字分解*/

　　part1 = （unsigned char） （FTW》》24）;//取32~25位

　　part2 = （unsigned char） （FTW》》16）;//取24~17位

　　part3 = （unsigned char） （FTW》》8）; //取16~9位

　　part4 = （unsigned char） （FTW）; //取8~1位

　　/*以上將32位頻率控制字分解*/

　　AD9850FQUD = 1;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = 0x00;//寄存器最高的八位只送0x00

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part1;

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part2;

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part3;

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part4;

　　AD9850WCLK = 0;//AD9850WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850FQUD = 0;//AD9850FQUD上升沿將AD9850緩沖區(qū)的40位數(shù)據(jù)送入DDS Core

　　}

　　/********************

　　**函數(shù)：AD9850SetFre

　　**功能：AD9850設(shè)定頻率控制字函數(shù)

　　**參數(shù)：Fre，float型，要設(shè)定的頻率，單位Hz

　　********************/

　　void AD9850IISetFre（float Fre）

　　{

　　unsigned long FTW = 0;//要寫入的32位頻率控制字（AD9850一次需要寫入40位控制字）

　　unsigned char part1，part2，part3，part4;

　　if（Fre 》 30000000）

　　Fre = 30000000;

　　FTW = （unsigned long） （Fre * 34.3597384）;//計算頻率控制字（公式：FTW=（2^32/fosc）*Fre）

　　/*以下將32位頻率控制字分解*/

　　part1 = （unsigned char） （FTW》》24）;//取32~25位

　　part2 = （unsigned char） （FTW》》16）;//取24~17位

　　part3 = （unsigned char） （FTW》》8）; //取16~9位

　　part4 = （unsigned char） （FTW）; //取8~1位

　　/*以上將32位頻率控制字分解*/

　　AD9850FQUD = 1;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = 0x00;//寄存器最高的八位只送0x00

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part1;

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part2;

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part3;

　　AD9850WCLK = 0;//WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850WCLK = 1;

　　AD9850DATAPORT = part4;

　　AD9850WCLK = 0;//AD9850WCLK上升沿送數(shù)據(jù)

　　_nop_（）;

　　AD9850FQUD = 0;//AD9850FQUD上升沿將AD9850緩沖區(qū)的40位數(shù)據(jù)送入DDS Core

　　}

　　主程序

　　#include 《reg52.h》

　　#include “AD9850I.h”

　　#include “hs0038.h”

　　#include “l(fā)cd12864.h”

　　void main（）

　　{

　　hs0038_init（）; //HS0038初始化，使用了外部中斷0///定時器1

　　lcd12864_init（）;

　　AD9850Reset（）;

　　while（1）

　　{

　　Get_Ircode_And_Dis（）;

　　switch （ircode［2］）

　　{ /**************模式選擇****************/

　　case 0x07:xuanzekey（）;break;

　　case 0x15:quedingkey（）;break;

　　case 0x09:fanhuikey（）;break;

　　/*************頻率調(diào)整區(qū)***************/

　　case 0x0c:if（flag1==1） {f10Mhz（）;}; break;

　　case 0x18:if（flag1==1） {f1Mhz（）; };break;

　　case 0x5e:if（flag1==1） {f100Khz（）;};break;

　　case 0x08:if（flag1==1） {f10Khz（）; };break;

　　case 0x1c:if（flag1==1） {f1Khz（）; } ;break;

　　case 0x5a:if（flag1==1） {f100Hz（）;} ;break;

　　case 0x42:if（flag1==1） {f10Hz（）; } ;break;

　　case 0x52:if（flag1==1） {f1Hz（）; } ;break;

　　/***************頻率確認(rèn)***************/

　　case 0x4a： if（flag1==1）

　　{

　　pce1=0;

　　pce2=1;

　　pce3=1;

　　AD9850ISetFre（）;

　　};

　　break;

　　/***************AM調(diào)制*********************/

　　case 0x16： pce1=1; //片選AD9850 I 實(shí)驗(yàn)板U1

　　pce2=0; //片選AD9850 I 實(shí)驗(yàn)板U2

　　pce3=1;

　　AD9850IISetFre（1000.0）;break;

　　case 0x44:if（flag2==1）

　　{

　　pce1=1;

　　pce2=1;

　　pce3=0;

　　pwr=0;

　　AM_mastepdown（）;

　　};

　　break;

　　case 0x40： if（flag2==1）

　　{

　　pce1=1;

　　pce2=1;

　　pce3=0;

　　pwr=0;

　　AM_mastepup（）;

　　};

　　break;

　　/***************FM調(diào)制*********************/

　　case 0x19:AD9850IISetFre（5000.0）;break;

　　default:break;

　　}

　　ircode［2］=0; //注意一定要把ircode［2］清零。。。。。

　　// AD9850SetFre（）;

　　}

　　}

?

　　由表可以看出，此DDS信號發(fā)生器設(shè)計方案在頻率穩(wěn)定度方面，正弦波、三角波、方波在帶負(fù)載的情況下均十分穩(wěn)定，這正是DDS專用芯片AD9834的特點(diǎn)。