当前位置: 首页 > >

基于DDS芯片的信号源设计

发布时间:

2010短 第9期

仪表技术与传感器
[nstrument Technique and Sensor

2010 No.9

基于DDS芯片的信号源设计
张美仙,王红亮,丁海飞
(中北大学电子测试技术国家重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051) 摘要:文中介绍一种基于DDS芯片AD9833的信号源,该系统采用FPGA与AD9833相结合的方法,以FPGA为控制 核心,以AD9833为直接数字频率合成器,以AD8320为幅度调节器,实现了输出频率、幅值和相位灵活可调的正弦波、三 角波和方波信号,实测结果表明该系统输出信号频率误差小、分辨率高。 关键词:信号源;DDS;FPGA;AD9833 中图分类号:TN782 文献标识码:A 文章编号:1002—1841(20LO)09—0054—03
on

Design of Signal Generator Based
ZHANG

DDS Chip

Mei-xian,WANG Hong—liang,DING Hai—fei

(National

Key Laboratory For Electronic

Measurement

Technology,Key

Laboratory

of

Instrumentation Science&

Dynamic

Measurement,Ministry


of Education North University of China,Taiyuan

030051,China)


Abstract:The This paper introduced

signal generator based

on

DDS chip AD9833.The system adopted

combination ofFP-

GA and AD9833,with the FPGA being the control center,AD9833 the amplitude

being

the direct digital frequency synthesizer and AD8320 being and square wave,which all have the ability of
error

modulator.The

device

can

produce sine wave,triangular

wave

adjusting

the frequency,mgnitude lion.

and bias.The measurement result shows that the signal generator has little frequeney

and

hi曲resclu—

Key words:signal generator;DDS;FPGA;AD9833

0引言 信号源能产生各种测试信号,它被广泛应用在航空航天、 电力电子、生物医疗等领域。随着高速大规模集成电路技术的 发展,*年来主要用频率合成技术实现信号源,目前广为应用 的是直接数字式频率合成(DDS)技术。DDS技术具有频率转 换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、稳定度高、可编程、全 数字化、易集成等特点¨J。用DDS技术实现的信号源,可以通 过数控电路对DDS输出波形的频率、幅度、相位等进行精确的 控制,利用这种方法实现的系统具有稳定、可靠、精度高等优 点。文中主要介绍了采用DDS芯片AD9833实现信号发生器 的方案原理与工作过程。 1系统方案设计 该系统中USB单片机为软硬件的通信接口,FPGA为进程 控制和任务调度的核心,其中FPGA主要实现将计算机发送的 数据配置给AD9833和AD8320,系统原理框图如图1所示。

系统工作原理:计算机将配置数据发送至USB单片机,
USB单片机通过GPI*涌诮荽椭粒疲校牵聊诓考拇嫫鳎 之后FPGA将这些配置数据对应地发送给AD9833和AD8320, AD9833会根据接收到的配置数据产生相应频率和相位的波形 输出,此后AD9833输出的波形信号送入AD8320进行幅值调 节,最终经调理电路后输出。 2各功能模块设计
2.1

DDS波形产生模块 该系统选用的DDS芯片为AD9833,它是一款低功耗、可编

程波形发生器,能够产生正弦波、三角波和方波输出,输出频率 范围为0~12.5 MHz.同时AD9833外围电路简单,无需外接元 件,输出频率、相位和波形都可通过软件编程,易于调节,主频 时钟为25MHz时,精度为0.1 Hz,主频时钟为1 MHz时,精度 可以达到0.004 Hz【2J。该器件通过SPI接口可与各种主流微 控制器兼容,在该系统中AD9833与FPGA的连接如图2所示, 其中SDATA为串行数据输入端,SCLK为串行时钟输入端和



控制命会
配置数据

USB

-4P




盖 片 机 ●



图1系统原理框图

一AD983 [

FSYNC为使能引脚。

F眦AD9833
I船


,>

SDATA

I/50

SCLK

I胁

FSYNC

图2

FPGA与AD9833的硬件连接示意框图
’’’ ’。 ’’

差金项目:,微小型高速运动体的激光主动制导与探测技术研究 (60871041


AD9833内部有5个可编程寄存器,其中1个16位的控制 寄存器用来设置所需功能,2个28位的频率寄存器用来存放频

收稿日期:2010—03—26

万方数据

第9期

张美仙等:基于DDS芯片的信号源设计
FPGA

55

率字,2个12位的相位寄存器用来存放相位字。控制字根据控 制寄存器相应位的功能就可以得到,AD9833的输出频率和相 位可以分别通过式(1)和式(2)得到:

允。=(M×flk)/2“
P。。=(2可x PHASEREG)/4096 式中圻。为时钟频率;M为频率字;PHASEREG为相位字。

(1) (2)
图4 CY7C68013与FPGA的连接方式

该设计中采用25MHz晶振为AD9833提供主频时钟,比如 要产生一个20 kHz,相位偏移为零的正弦波信号,通过式(1)可 以计算出频率字M=OX346DC.该设计中选用了AD9833的频 率寄存器0和相位寄存器0,这样在频率字M的低14位和高 14位前面分别加上频率寄存器0的标识01,在12位的相位字 前面加上相位寄存器0的标识1101,得到写进AD9833的频率 字和相位字:频率字的低位0X46DC、频率字的高位0X400D、相 位字OXD000。 结合AD9833的芯片资料和实际调试,最终得到配置 AD9833的过程分为6个部分:(1)写0XD()00,将相位字写入相 位寄存器0;(2)写0X2000,将频率寄存器设置为完整的28位 使用;(3)写OX46DC,将频率字的低14位写进频率寄存器0; (4)写0X400D,将频率字的高14位写进频率寄存器0;(5)写 0X0100,将RESET设为1,这是为了避免DAC产生虚假输出, 但不会复位频率、相位和控制寄存器;(6)写0X0000,设置频率 寄存器0和相位寄存器0有效,禁止复位,使用MCLK,激活 DAC输出,在输出端输出正弦波(OX0002输出三角波,0X0028 输出方波)。其流程图如图3所示。
配置AD9833程序

益。 进行FPGA逻辑设计时,重点在于AD9833的时序控制, AD9833时序特性的仿真图如图5所示。FSYNC引脚是使能引 脚,低电*触发。进行串行数据传输时,当FSYNC在SCLK为 高电*时被置低,在16个SCLK的下降沿将配置数据送到 AD9833的移位寄存器,在第16个SCLK的下降沿将FSYNC置 高,当然也可以在FSYNC置低后,连续加载多个16位数据,仅 在最后一个数据的第16个SCLK的下降沿时将FSYNC置 高㈨。

图5

AD9833串行时序的仿真图

2.4放大器模块 AD9833产生的正弦波和三角波信号幅值为0.65 V,方波 输出幅值为3.3 V,要想实现调幅功能,需要将AD9833的输出 信号接入下一级放大电路中。该系统的放大电路选用可编程 增益功率放大器AD8320,AD8320的输出增益由8比特串行字 决定,增益变化范围为36dB(一10—26 dB),该器件具有220n 输入阻抗,接受单端输入信号,采用5—12 V单电源供电一1。 3实验测试与结果分析

≮多_
—1页丽蕊ir—] D13=Ⅳ1选相位寄存器I
D12=任意值

心\ 疆





耄一

=b
RESET=1

图6为系统的实测波形(TDSl008B示波器),分别选取了3 种不同频率不同波形的输出,从图中可以看出,信号源的输出 波形光滑、频率稳定性高。

D11..I】【)=相位计算值I

瞬蓟鑫而
RESET=0

返回

图3配置AD9833流程围

2.2通信接口 通信接口的主要功能是将计算机发出的控制命令和配置 数据传送给FPGA.该系统通信接口芯片选用CY7C68013,该芯 片通过GPI*涌诳捎耄疲校牵痢ⅲ模樱械韧馕骷迪治薹斓摹⒏ 速的数据传输。CY7C68013与FPGA的连接方式如图4所示。 计算机将控制命令发至PE端口,FPGA接收到命令信号后执行 相应动作;计算机将配置数据发送至FDO一7端口,把 CY7C68013的ctl2作为写信号,当ctl2有效时将数据写入FP-
GA.

2.3控制模块 FPGA是该设计的控制核心,共有3项任务:接收计算机发 送的配置数据;配置AD9833实现波形输出;控制AD8320的增
图6实测波形

万方数据



Instrument Technique and Sensor

Sep.2010

测试表明,系统具有特征:(1)能够产生三角波、正弦波、方 波3种周期性信号;(2)波形输出频率范围1Hz一1MHz,幅值范 围0—5V;(3)具有频率、幅值和相位设置功能,可取范围允许 内的任意值;(4)输出信号频率稳定度优于10~;(5)输出波形 无明显失真。 4结束语 文中介绍的信号源能产生高分辨率、高稳定度的正弦波、 三角波和方波信号,系统将计算机应用程序和FPGA实时控制 技术相结合,可灵活调节输出信号的波形、频率、幅值和相位等 参数,该信号源可作为测试设备系统自检时的模拟信号输入, 目前已成功应用于一些测试设备。

参考文献: [1]祝敏,高志辉.DDS信号的杂散及抑制分析.电子工程师.2008,34
(9):17—19. [2]

孙群,宋卿.基于DDS技术的便携式波形信号发生器.仪表技术
与传感器.2009(4):67—70.

[3]刘国良.廖力清,施进*.AD9833型高精度可编程波发生器及其
应用.国外电子器件.2006(6):44—47.

[4]

王庆琪,梁昊,韦敏*.一种随机的快脉冲信号发生器的设计.核 电子学与探测技术.2004,24(5):537.

作者简介:张美仙(1986一),硕士研究生,研究方向:测试计量技术及仪
器。E—mail:zmx861 123@163.COlll

(上接第53页)
#define mclk

表中T1~仍为传统烧结至1080℃数据;T4一%为传统烧 结至1 130℃数据;M1一M3为微波烧结至1 080℃数据。微波烧 结1 0800c梯度为340 V/ram左右,烧结温度低于普通炉子40℃ 左右。微波烧结样品的a较低,限压比也低于普通烧结,整体 数据优于普通烧结。通流能力方面,微波烧结的片子通流耐受 能力较好,其变化率也小于普通炉子的变化率。整体看来,微 波烧结得到的数据较好,而且节能省电。 表2 氧化锌静态参数及大电流特性

8000000//晶振频率 uart_rx:12//接受中断标示

pragma interrupt_handler

void

uart_ini/(uim baud)


UCSRB=0x00;

UCSRA=Ox00;//控制寄存器清零 UCSRC=(1<<URSEL)I(0<<UPM0)I(3<<UCSZO);

,,逸择UCSRC
hud=mclk/16/baud一1;//波特率最大65K
UBRRL=btIud;

UBRRH=baud>>8;//设置波特率 UCSRB=(1<<TXEN)l(1<<RXEN)I(1<<RXCIE); //接收、发送使能,接收中断使能 SREG=BIT(7);//全局中断开放 DDRDl=0X02;//配置TX为输出

发送数据与接受数据部分程序的编写易于实现,在此不作 详述。显示电路部分,不仅采用了数码管交替显示输出电压、 电流、温度等数据,另外还利用VC++6.0软件,开发了上位机 软件,可以通过串口接受数据来实时显示各项测量值,并绘制 成曲线,便于观察和研究之用。 S调试及运行 为获取电路在输入为不同电压值情况下的输出功率,效率 等数据,该电源的输入没有直接接在220
V/50

6结束语 电源功率主回路采用全桥逆变回路,能提供3
600

V以上

的直流高压,提供的功率可达1 kW左右。采用ATmegal6单片 机实现驱动开关管与智能化控制。经过实验验证,电源可以正 常稳定的工作,且运用于系统后烧结效果良好。该驱动电源在 经过进一步改进与完善之后,可以实现微波隧道窑的自动化控 制,具有良好的应用前景。 参考文献:
[1]付明,胡敏.基于SPI的电子陶瓷微波烧结温度控制系统.仪表技 术与传感器,2008(10):83—85. [2] 周志敏,周纪海.开关电源实用技术设计与应用.北京:人民邮电 出版社,2003:27—29

Hz的市电上,而

是通过自耦变压器来进行逐步升压。电源输入输出性能参数 如表l所示,表中所示“输入电压”是整流滤波后的电压值。 表1 电源输入输出性能参数表

[3]张军。宋涛.AVR单片机C语言程序设计实例精粹.北京:电子工
业出版社,2009:47—50

[4]周兴华.AVR单片机c语言高级程序设计.北京:中国电力出版 为了测试电源性能,利用该电源组成的系统对氧化锌压敏 电阻进行了烧结,烧结后测量了静态参数,包括漏电流,L,压敏 电压y,非线性系数口;包封后测量了限制电压(5
~201山s 40 kA,20

社,2008:139—141.

作者简介:付明(1967一),博士,副教授,研究方向为材料微波处理技
术,敏感陶瓷材料与器件。
E—mail:fuming@mail.hust.edu.Cll

kA),8

kA通流能力,如表2所示。

万方数据




友情链接: