DDS技术的原理介绍及用其和单片机进行嵌入式信号源的设计

信号源是指收音头、高频头、录音卡座、录像卡座等器件。微机及辅助设备完成信号的提取、数模转换、数字信号处理等功能。信号源是雷达系统的重要组成部分。雷达系统常常要求信号源稳定、可靠、易于实现、具有预失真功能，信号的产生及信号参数的改变简单、灵活。信号发生器又称信号源或振荡器，是用来产生各种电子信号的仪器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。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。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。

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。

1 系统设计

1.1 DDS技术原理与结构

DDS是一种全数字化的频率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。时钟频率给定后，输出信号的频率取决于频率控制字，频率分辨率取决于累加器位数，相位分辨率取决于ROM的地址线位数，幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。DDS有如下优点：⑴频率分辨率高，输出频点多，可达个频点（N为相位累加器位数）；⑵频率切换速度快，可达us量级；⑶频率切换时相位连续；⑷可以输出宽带正交信号；⑸输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用；⑹可以产生任意波形；⑺全数字化实现，便于集成，体积小，重量轻。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

MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH 的单片机，由于其性价比和集成度高，受到广大技术开发人员的青睐。它采用16位的总线，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K,还可以外扩展存储器。具有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，支持8M 的时钟。由于为FLASH型，则可以在线对单片机进行调试和下载，且JTAG口直接和FET（FLASH EMULATION TOOL）的相连，不须另外的仿真工具，方便实用，而且，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗（电流为14mA左右），可靠性能好，加强电干扰运行不受影响，适应工业级的运行环境，适合与做手柄之类的自动控制的设备。

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

对于不同滤波器而言，每个频率的信号的减弱程度不同。当使用在音频应用时，它有时被称为高频剪切滤波器，或高音消除滤波器。低通滤波器概念有许多不同的形式，其中包括电子线路（如音频设备中使用的hiss滤波器、平滑数据的数字算法、音障（acousticbarriers）、图像模糊处理等等，这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式。低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数（movingaverage）所起的作用；低通滤波器有很多种，其中，最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。DDS的杂散主要以下三个方面：

（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；

（3）DAC的转换误差，即DAC中非线性引起的转换误差：DAC有限的分辨率、非线性特性以及转换过程中出现的尖峰脉冲均会导致频谱质量变坏。因此，低通滤波器的使用是非常必要的，其性能的优劣直接关系到整个DDS的技术指标。

巴特沃斯滤波器是滤波器的一种设计分类，其采用的是巴特沃斯传递函数，有高通、低通、带通、带阻等多种滤波器类型。切比雪夫滤波器也是滤波器的一种设计分类，其采用的是切比雪夫传递函数，也有高通、低通、带通、高阻、带阻等多种滤波器类型。同巴特沃斯滤波器相添加图片比，切比雪夫滤波器的过渡带很窄，但内部的幅频特性却很不稳定。但是其过渡带下降迅速，过渡带很窄。在该系统中，为了使输出信号频率最高10 MHz时能够最低程度地降低AD9850外部系统时钟30 MHz的干扰，采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波。根据系统要求，输出信号的频率可达10 MHz,设定其通带为10 MHz,且7阶滤波具有下降速度更快的过渡带，可以有效地滤除10 MHz以上的高频干扰。考虑到实际的椭圆滤波器设计与理论分析是有所不同的，在此使用Multisim 9经行仿真后得出椭圆滤波器的具体参数。椭圆低通滤波器的电路图如图5所示。

2 系统软件设计

软件设计主要分为菜单操作和频率控制值计算两部分。在系统中通过外接4×4软键盘输入设定频率和调整步进。一共16个按键，不同的按键代表着不同的数字和功能，除了正常的10个数字键0~9外，为了方便频率值的输入，还设计了菜单键、删除键、步进一、步进十、确认键、输出键等功能键。通过输入0~9数字键，输入设定频率；按下确认键，输出相应频率的波形；按下菜单键，可根据需要按下1,2,3数字键，分别选择1 Hz,10 Hz,100 Hz三个档位的频率步进；按下确认键，此后按下步进+、步进一即可对输出信号进行频率的步进调整；欲重新设定频率只需按下删除键，再次输入预设的频率即可。

该系统中单片机与AD9850采用串行通信方式连接。其中，频率控制字的计算：AD9850的时钟信号采用30 MHz,根据式（1）得：

式中：fo为从键盘上输入的频率值。式（3）计算的结果在不影响精度的情况下舍去小数部分，转换为32位的频率控制字。AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠（PowerDown）控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD9850.实际应用中，工作方式选择位通常设定成00,该系统中AD9850的40位控制字高8位设置为00H.串行接口方式下需满足的时序关系为：在W_CLK的上升沿，引脚D7上的数据自最低有效位开始逐位串行移人输入寄存器，40位数据输入结束后，任何W_CLK上升沿到来，都会造成数据顺序移出并导致原来数据无效。此时，FQ_UD端的上升沿将40位数据装入频率/相位控制寄存器，更新芯片的输出频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，等待下一组新数据的写入。AD9850的控制字串行输入时序图如图6所示。

该系统的总程序框图如图7所示，程序开始后，运行初始化程序，包括初始化单片机MSP430F149、初始化AD9850、初始化液晶显示模块1602等。然后扫描键盘状态，检查到有键按下就运行键值处理程序，对按键值进行查表处理，之后执行相应的子程序。输入的信号相关信息通过运行液晶显示程序，在LCD上显示正确的输入数据和提示字符。在按下确认键后，MSP430F149计算出所需信号的数据或控制命令，将其传送到AD9850,输出最终信号。

3 系统测试与结果分析

为了检验本系统的实际性能，在完成所有设计后，使用HDSTO22M型示波表对该系统进行实测，经过实验测试系统达到下列性能指标：输出信号频率范围为1 Hz~10 MHz;步进调整为1 Hz,10 Hz,100 Hz三档步进；失真度无明显失真；输出电压峰峰值为1~10 V;频率稳定度优于10-4.

4 结 语

在此给出一种基于DDS芯片AD9850和MSP430F149单片机的嵌入式信号源设计方法，该信号源可输出频率范围为1 Hz~10 MHz的正弦波和方波，且具有频率设定1 Hz,10 Hz,100 Hz多档步进调整和幅度调节的功能。可以通过按键进行频率值设定，并有LCD显示波形的频率等信息，经实验测试，在1 Hz~10 MHz频率范围内，得到的正弦波方波信号具有频率稳定性好，频率准确度高及频率分辨率高等特点。

该设计的创新点在于：将DDS芯片AD9850与超低功耗的MSP430F149单片机结合，提出了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；并且AD9850与MSP430F149采用串行连接方式，节省单片机的I/O资源，便于系统的功能扩展和产品升级。该信号源具有精度高，频率范围宽，频率输出稳定，体积小，功耗低，控制灵活方便的特点，可广泛应用于日常教学和科研工作中，如果再经过结构优化，将具有良好的市场前景。