基于AD9854的函数发生器

基于DDS技术的多功能函数信号发生器设计院系：电气与电子工程学院专业：电子信息类2013年9月-2013年12月基于DDS技术的多功能函数信号发生器设计摘要：采用ARM内核的STM32F103ZE单片机[1]与AD9854正交正弦信号发生器相结合，实现正弦波、方波、FSP、RFSK、Chrip等信号输出，并拓展了幅度可调，相位可调，频率可调等功能。

设计实现了30Mhz 的正弦波可调输出，基本达到了一般信号源的功能。

关键词：信号发生器；STM32F103；AD9854；DDSMulti Function Signal Generator Based on DDSLiu Xing,Wang Yan-xu,Guo,Wen-wuAbstract: The kernel of ARM is used STM32F103ZE microcontroller[1] and AD9854 orthogonal sinusoidal signal generator combination, sine wave, pluse wave, Bo, FSK, RFSK, Chrip and other signal output, and expand the range of adjustable, adjustable phase, adjustable frequency and other functions. Design and implementation of the 30Mhz sine wave output adjustable, achieved all the functions of the general signal source.Keywords:signal generator; STM32F103;AD9854;DDS一、方案论证与比较1.1整体方案论证方案1：采用分立元件或单片压控函数发生器，通过调整外围元件的参数输出不同的频率，但采用模拟器件由于元件分散性太大，产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力不强、成本较高、而且灵活性差。

方案2：采用锁相式频率合成方案。

锁相式合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加减乘除运算产生同样稳定度和精度的大量离散频率的技术，他在一定程度上解决了既要频率稳定精确、又要在较大范围内可调的矛盾。

但频率受VCO 可变频率范围的影响，高低频率比不可能做到很高。

方案3：采用直接数字频率合成技术（DDS）。

DDS的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。

DDS能产生带宽宽、稳定度高的正弦波，频率、相位等都可以实现程控。

能够很好的实现题目给定的要求。

综上所述，本系统拟采用方案三予以实现。

1.2系统方案设计该方案由的信号发生器，主控部分和信号放大部分构成，系统的整体方案如图1所示。

图1 系统模块框图STM32F103RBT6增强型系列基于高性能的ARM Cortex-M3[2] 32位的RISC内核，工作频率72MHz，内置包高速存储器，包含128K Flash，20K RAM。

丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。

包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达两个I2C和SPI、3个USART、1个USB和1个CAN，还有很实用的FSMC总线接口，SDIO接口。

STM32F103RBT6增强型系列工作于-40℃至105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V,一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

该芯片拥有64个引脚，其中51个引脚是IO引脚，每一个引脚都可以配置成中断输入接口,IO均支持位操作，端口可映射，先进的中断控制器NVIC[1]等等。

丰富的IO资源加上灵活内部结构和先进指令集的支持使设计变得更加容易。

AD9854芯片介绍AD9854是美国ADI公司最近推出的单片DDS芯片，简单结构框图如图1所示。

它的主要特点为：内部高速、高性能的正交D/A转换器和高速比较器实现数字合成的正交的I和Q路输出。

此外，由于合成信号的频率、相位、幅度均可由数字信号控制，所以可以通过预置相位累加器的初始值来精确控制合成信号的相位，非常容易实现灵活的高精度的数字调制，如AM、PSK、FSK、MSK等，而且容易实现高精度的正交调制。

二、理论分析与计算2.1主要技术指标1).频率范围频率范围: 频率合成器输出最低频率fomin和最高频率fomax之间的变化范围，也可以用频率覆盖系数表示: 如果k>2～3时，一般VCO是很难满足这一输出频率范围的，实践中可以把整个频段分为几个分波段，每个分波段由一个VCO来满足分波段频率范围。

也经常用相对带宽来衡量:相对带宽2).频率分辨率∆fo ——输出频率间隔频率分辨率∆fo : 相邻两个输出频率之间的间隔，也称为输出频率间隔，或频率步进间隔。

如参考频率不变，DDS的频率分辨率由相位累加器的位数N决定。

N一般得很大，如32位、48位、60位，使得分辨率高在通信系统中希望波段内的频率通道尽可能多，以满足通信的要求，所以，希望∆fo尽可能小。

目前PLL频率合成器可以做到∆fo为100kHz、10Hz或1Hz，而DDS合成器则可以做到1Hz 以下。

3).频率准确度和稳定度频率准确度: 频率合成器的实际输出频率偏离标称频率的程度。

频率稳定度: 在一定时间间隔内，合成器输出频率的变化大小。

在模拟直接频率合成器、锁相频率合成器和DDS 合成器中，输出频率的稳定度主要取决于参考频率的稳定度。

2.2 DDS 技术的基本原理AD9854中使用的DDS 技术[1]是根据奈奎斯特采样定律，从连续信号的相位出发将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表，存于EPROM 中；合成时，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量。

相位增量不同，一个正弦周期内的采样点数不同。

在时钟频率即采样频率不变的情况下，通过相位的改变来实现频率的改变，计算公式为t f t P ∆=∆=∆πω2，经转换得ππ2/)()2/(CLK f P t P f ⨯∆=∆⨯∆= 。

其中P ∆为相位变化，ω为角频率，t∆为时钟周期，CLK f 为时钟频率。

由式中可知，改变相位值P ∆，就可改变合成信号的频率f。

由于N 位相位累加器对π2进行量化，即对π2取2N 个点，则P ∆可取0～2N-1。

将其代入得NCLK FC f W f 2/)(⨯= ，其中FC W 为频率控制字，取值为0～2N-1。

将这种变化的相位/幅值量化的数字信号通过D/A 转换即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。

图2 DDS 原理框图AD9854有五种工作模式，分别为Single －Tone （Mode 000）、FSK （Mode 001）、Ramped FSK （Mode 010）、Chirp （Mode 011）和BPSK （Mode 100），模式选择可在控制寄存器里进行修改。

在这五种模式中，Single －Tone 模式是最为灵活的一种，也是主复位后的默认模式。

通过该模式可以根据需要任意设定输出信号的频率、幅度和相位等特性。

在FSK 模式下，其输出信号的频率可根据引脚P29的电平高低在频率控制字F1和F2之间选择，而其相位则由相位控制字P1决定，频率跳变时相位保持连续。

Ramped FSK 模式与FSK 的不同之处在于：F1和F2分别存储低频率和高频率，输出从F1到F2扫描，扫描间隔和速度可以控制，控制寄存器中既可提供单独控制位以实现自动三角形扫频过程，也可改变扫频速度以实现非线性扫频。

Chirp 模式是在指定的频率范围和频率精度上，频率可以是线性或非线性变化输出，而且扫频方向可控。

与Ramped FSK 模式相比，该模式需要用户自己通过“HOLD”（P29高电平）控制停止频率点，同时控制停止后的状态。

BPSK 模式的工作方式几乎和FSK 完全相同，只是BPSK 模式将频率F1和F2之间的切换变成了相位P1和P2之间的切换，引脚P29低电平时选择P1，高电平时选择P2。

此外，还要通过频率寄存器对输出信号的频率进行控制。

三、电路与程序设计3.1AD9854外围电路的设计AD9854外围电路主要由有源晶振，PLL滤波器，输出电流控制和相关去耦电容构成，为了最大程度发挥其功能，最大程度地外接了输出控制引脚，同时将比较器的两端分别接一路DA与正弦波，拓展了方波输出。

图3 AD9854外围框图3.2椭圆低通滤波器的设计根据DDS合成的频谱分析，由于存在相位截断和D/A转换，输出信号含有高次谐波分量干扰。

尤其是输出信号频率越高，谐波畸变越大，本文设计的信号发生器输出频率最高达100MHz，故需进行更有效的滤波处理。

本设计中采用的120Mhz 椭圆低通滤波, 实现更为有效的信噪分离, 从而获得较为理想的除噪效果。

把滤波后的I和Q通过VINP（Pin42）、VINN（Pin43）脚输入，经过高速比较器，即可得到方波信号，方波信号经过简单的变换，可得到三角波、锯齿波等。

椭圆滤波器主要使用ADS设计，其原理图和幅频特性图如下：图4 椭圆滤波器仿真原理图图4 椭圆滤波器仿真幅频特性图3.3系统软件的设计在仪器的整个设计中，对系统软件的设计采用模块化设计的方法。

系统软件由主监控软件、键盘显示器管理模块、外设中断管理处理模块、各功能模块和数据处理模块构成。

上电复位后仪器首先进入监控主程序。

它的任务是识别命令、解释命令，并获得完成该命令的相应模块的入口，起着引导仪器进入正常工作状态。

系统的软件C语言设计，相对于汇编语言，C 语言对机器底层硬件操作较为方便，模块化程度高，可读性与可移植性好。

主程序框图如图3所示。

对AD9854进行初始化控制时，首先，MASTER RESET(Pin71)脚必须置高10个系统周期以上,然后对AD9854写入控制字。

一旦设定后，AD9854将保持设定状态不变，直到重新进行设置。

AD9854通过内部一个地址范围为00H～27H的寄存器表存储有关的各种控制字和状态字。

用户可通过I/O与该寄存器表进行通信，I/O缓冲区的内容必须在更新脉冲的作用下才能刷新到寄存器表中，这样可以很好地达到同步。

寄存器表中00H、01H和02H、03H单元分别存放14位的相位控制字1和相位控制字2，它决定了输出信号可编程控制的相位精度即最低相位为PMIN＝360度／214＝0.022度。

04H～09H和0AH～0FH单元分别存放48位的频率控制字1和频率控制字2，它决定了输出信号可编程控制的频率精度即最低频率为＝300×106／248＝1.066×10－6Hz 。

AD9854的五种工作模式选择字存放在寄存器表1EH单元。