基于DDS技术的低频程控信号源的设计
基于ＤＤＳ技术的低频程控信号源的设计
文章编号：１００１－９９４４（２００７）０２－０００１－０３
陈莹莹，胡奇巧，张
军，葛立峰
（安徽大学电子科学与技术学院，合肥２３００３９）
摘要：提出一种基于直接数字频率合成技术，采用芯片ＡＤ９８５０实现的低频程控信号源方案。该信号源可以应用于激振系统，为振动实验和压电加速度计比较法校准的自动化提供一个有效平台。同时，也便于扩展到为超声发生系统提供可控的高频激励信号源。关键词：直接数字频率合成；单片机；程控；信号源中图分类号：ＴＰ２１６
文献标志码：Ｂ
ＤｅｓｉｇｎｏｆＬｏｗＦｒｅｑｕｅｎｃｙＰｒｏｇｒａｍ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄＳｉｇｎａｌＳｏｕｒｃｅＢａｓｅｄｏｎＤＤＳＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＣＨＥＮＹｉｎｇ－ｙｉｎｇ，ＨＵＱｉ－ｑｉａｏ，ＺＨＡＮＧＪｕｎ，ＧＥＬｉ－ｆｅｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ，２３００３９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｄｅｓｉｇｎｏｆａｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｒｏｇｒａｍ－ｃｏｎｃｒｏｌｌｅｄｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅｂａｓｅｄｏｎＤＤＳｔｅｃｈｎｏｌｏ－ｇｙ．ＴｈｅｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅａｄｏｐｔｓｔｈｅＤＤＳｃｈｉｐＡＤ９８５０，ｗｈｉｃｈｉｓｕｓｅｄｉｎｖｉｂｒａｔｉｏｎｅｘｃｉｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ，ｆｏｒｍｉｎｇａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ’ｓｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｍｅａｎ－ｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｓｏｕｒｃｅｃａｎｂｅｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙｅｘｐａｎｄｅｄ，ｓｏｔｈａｔｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｒｏｇｒａｍｍｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｉｇ－ｎａｌｓｏｕｒｃｅｆｏｒｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｒｅｃｔｄｉｇｉｔａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＤＤＳ）；ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ（ＳＣＭ）；ｐｒｏｇｒａｍ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ；ｓｉｇｎａｌｓｏｕｒｃｅ
收稿日期：２００６－０９－２３；修订日期：２００７－０１－１６
基金项目：国家自然科学基金项目（６０３７４０４４，６９９７４００１）；安徽大学创新团队资助项目
作者简介：陈莹莹（１９８３－），女，硕士研究生，研究方向为信号采集与处理、
传感器与测控技术；葛立峰（１９４７－），男，安徽大学教授，博士生导师，研究方向为信号采集与处理、传感器与测控技术。
直接数字频率合成（ｄｉｒｅｃｔｄｉｇｉｔａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ＤＤＳ）是继直接频率合成和间接频率合成之后发展
起来的第三代频率合成技术［１］。由于采用了高速数字电路和高速Ｄ／Ａ转换技术，ＤＤＳ在相对带宽、频率转换时间、频率分辨率、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术达到的水平。同时，由于ＤＤＳ中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成、功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用灵活，因此性价
比很高，在便携式通信、雷达系统、跳频通信等领域被广泛使用。
进行振动实验和用比较法校准压电加速度传感器时，由于经费限制，一直用传统的手动调节信号源激励振动台。因此，希望应用ＤＤＳ技术，自制一个程控的信号源，为振动台提供不同波形信号的可控输入。这与用传统的手动信号源相比，减少了人为干预，简化了操作，大大提高了效率和精度，为振动实验和压电加速度计比较法校准的自动化提供了一个
有效的平台。为此，本文提出了一种基于ＤＤＳ技术、采用ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５０来实现的程控信号源。
１硬件设计
本文提出的程控信号源的结构示意图如图１所示。它分为单片机控制ＡＤ９８５０的频率合成部分、滤波、波形选择、幅度控制等四个部分。其中，单片机控
制ＡＤ９８５０的频率合成部分是最核心的环节。１．１单片机控制ＡＤ９８５０的频率合成部分
如图２所示的是ＡＤ９８５０与单片机接口电路图［２］。单片机与ＡＤ９８５０的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，原则上为充分发挥芯片的高速性能，并且在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行加载方式，本系统选用的就是Ｉ／Ｏ并行方式的接口。ＡＤ９８５０的数据线Ｄ０～Ｄ７与Ｐ１口相连，ＦＱＵＤ和ＷＣＬＫ分别与Ｐ２．６（２７引脚）和Ｐ２．７（２８引脚）相连，所有的时序关系均可通过软件控制实现。
１．２滤波部分
由于ＡＤ９８５０的性能非常好，它的输出在理想上会是相当好的波形。同时，因为本系统设计的信号源针对的应用对象是振动台，而振动台要求输入信号的范围在５Ｈｚ～５０００Ｈｚ，属于低频范围。因此在滤波器的选择上，可用一般的低阶低通滤波器。因此，这里选用２阶的ＬＣ低通滤波器，其原理图如图３。１．３波形选择部分
通过单片机控制芯片ＣＤ４０５１实现，如图４所示。ＣＤ４０５１是一款八路模拟开关，因为只有两路信号正弦波和方波，因此只用到其中的两路开关Ｉ／Ｏ０和Ｉ／Ｏ１，两路信号只需用一位控制即可，如图４所示。将Ｂ、Ｃ接地，Ａ接单片机的Ｐ３．２，这样当Ｐ３．２为低电平时选通Ｉ／Ｏ０，即Ｉ／Ｏ口输出正弦波；当Ｐ３．２为高电平时选通Ｉ／Ｏ１，即Ｉ／Ｏ口输出方波，从而实现了波形选择的功能。
１．４幅度控制部分
幅度控制部分是选用数字电位器ＡＤ５２２０来实现的。由于ＡＤ９８５０是电流源输出，因此在输出端接上数字电位器后，程控改变数字电位器上电阻的大小，即可改变输出电压的大小，也即实现了幅度控
制。
ＡＤ５２２０
在本系统中的使用如图５。单片机的
Ｐ２．３口接ＣＬＫ引脚，Ｐ２．４接Ｕ／Ｄ引脚，ＡＤ９８５０滤
波后的信号接入Ａ１引脚，从Ｗ１输出信号。在上电
后ＡＤ５２２０的内部滑动端自动恢复在中间的位置，当Ｐ２．４为高电平的时候，随着Ｐ２．３的每一个下降沿，滑动头Ｗ１就向Ａ前进一个位置；当Ｐ２．４为低电平的时候，随着Ｐ２．３的每一个下降沿，滑动头Ｗ１就向Ｂ前进一个位置，从而实现改变电阻大小的目的，也即实现了幅度控制。
２软件设计
软件部分主要是单片机程序的编写。由硬件设
计可知本系统核心部分是单片机控制ＡＤ９８５０的频率合成，因此单片机的编程主要也就是实现对
ＡＤ９８５０的控制。
程序初始化时，需将ＦＱＵＤ设置为高电平，
ＷＣＬＫ设置为低电平。并行加载时，如图２，每次加
载通过８位数据线，连续５次将整个４０位数据写入ＡＤ９８５０。大致过程如下：首先，ＦＱＵＤ由高电平转为低电平，ＡＴ８９Ｓ５１将数据Ｗ０输出；之后，控制ＷＣＬＫ由低电平转为高电平，再由高电平转为低电平，此时写完控制字Ｗ０，ＡＴ８９Ｓ５１按照写入Ｗ０的
过程，依次写入Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４；最后，ＡＴ８９Ｓ５１控制ＦＱＵＤ，使其由低电平转为高电平，完成４０位数
据的写入，并将地址指针指向Ｗ０，为下次写入频率／相位控制字作好准备。单片机控制程序的清单如下：
ＭＯＶＲ０，０５ＨＭＯＶＲ１，＃３０ＨＤＤ：ＭＯＶ
Ｐ１，＠Ｒ１ＳＥＴＢＰ２．７ＣＬＲＰ２．７ＩＮＣＲ１ＤＪＮＺＲ０，ＤＤＳＥＴＢ
Ｐ２．６ＣＬＲＰ２．６
ＥＮＤ
该程序将ＡＤ９８５０的４０位控制字存储在单片机的３０Ｈ至３４Ｈ中，它是程序的核心部分，单片机还要控制多路模拟开关以及数字电位器，只要在其后再加上相应代码即可。
３实验结果及分析
对自制的程控信号源系统进行实验，产生的频
率为１００Ｈｚ、５００Ｈｚ的正弦波图形如图６，图７所示。产生的１００Ｈｚ和２００Ｈｚ的方波图形如图８，图９所示。
从图中可见产生的信号波形比较好，但仍需改善，这主要可在以下两方面进行。
（上接第２１页）应用于故障诊断中，建立的故障诊断系统，能够较好地适应机械故障的复杂性与不确定性，诊断结果易于理解。随着诊断实例数据的增加，学习能力将发挥更重要的作用，使得系统更趋完善，可以应用于企业的机械系统的远程故障诊断中。
参考文献：
［１］周祖德．陈幼平．现代机械制造系统的监控与故障诊断［Ｍ］．武汉：华中理工大学出版社，１９９９．［２］虞和济，韩庆大，李沈，等．设备故障诊断工程［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００１．
［３］王万森．人工智能原理及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０００．［４］徐敏，等．设备故障诊断手册－机械设备状态监测和故障诊断［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，１９９８．
［５］关惠玲，韩捷．设备故障诊断专家系统原理及实践［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０００．
［６］第三钢轧总厂４＃石灰窑除尘风机现场诊断．设备故障诊断技术在马钢的应用［Ｚ］．马钢股份公司设备部，马钢华阳设备诊断公司，２００５．■
１）根据ＡＤ９８５０的ＤａｔａＳｈｅｅｔ，ＡＤ９８５０需要做成四面板，也就是需要有独立的电源层和接地层；它还要求数字和模拟信号线尽量分开走线；印制线路板相对面的走线应相互正交，以减少线路板的馈通影响［３］。由于所制做的印刷电路板面积有限且考虑到费用，因此未能完全按照要求去制作电路板，这样可能对ＡＤ９８５０的性能发挥有所限制。因此，制作电路板时考虑到ＡＤ９８５０的特点和要求，制作多层电路板，同时布线时注意模拟和数字信号的分布。
２）ＡＤ９８５０的时钟由晶振提供，实验中采用１２ＭＨｚ的有源晶振，由于晶振的频率偏低，所以造成信号质量不好。根据ＤＤＳ的分频原理，理论上ＤＤＳ的相位噪声应比时钟源的相位噪声改善２０ｌｏｇ（２Ｎ／Ｋ）ｄＢ。在相同条件下，参考时钟频率高，分频数大，可以改善输出信号的频率精度及频率稳定度，使得高次谐波尽量远离基频，且低通滤波更容易。ＡＤ９８５０允许的最高时钟晶振可达为１２５ＭＨｚ。因此，可使用更高频率的晶振加以改进。
４结语
本程控信号源针对的应用对象是电动式振动台，其频率范围为５Ｈｚ～５０００Ｈｚ，是比较窄的一个低频范围。而实际上ＡＤ９８５０在性能上非常优越，如本系统采用的１２ＭＨｚ晶振最高输出频率可达３ＭＨｚ，如果换成更高频率的晶振，输出频率可以更高。因此，其应用领域非常广，如将该信号源配上一些外围电路就可以应用于高频系统，如超声发生系统。此外，目前的设计仅产生正弦波和方波两种波形，如需产生其它波形，就要对系统进行改进，添加其它一些芯片或调理电路，如加上积分电路可以产生尖脉冲波，加上芯片ＡＤ９８５４就可以产生三角波等。今后将把基于ＤＤＳ技术的任意波形程控信号源的研究作为工作重点。
参考文献：
［１］姜田华．实现直接数字频率合成器的三种技术方案［Ｊ］．电子技术应用，２００４，（３）：１－２．
［２］石雄，等．ＤＤＳ芯片ＡＤ９８５０的工作原理及其与单片机的接口［Ｊ］．国外电子元器件，２００１，（５）：３－４．
［３］ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓＩｎｃ．ＣＭＯＳ１２５ＭＨｚＣｏｍｐｌｅｔｅＤＤＳＳｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒＡＤ９８５０［Ｓ］．１９９７：１３－１４．■
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