基于DDS芯片的信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器的設(shè)計(jì)_第1頁
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電子設(shè)計(jì)《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第2.2期文章編號(hào):1008-0570(2009)02-2-0252-03基于DDS芯片的信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器的設(shè)計(jì)DesignofSignalGeneratorandModulatorbasedonDDSChip(上海交通大學(xué))閻飛顏德田YANFeiYANDe-tian摘要:本文首先介紹了DDS(直接數(shù)字合成)的基本原理?及ADT008芯片的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。之后介紹了基于DDS芯片ADT008的信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器的設(shè)計(jì)思路,及其與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)ISA總線的接口電路的設(shè)計(jì),并分析了QAM、AM、FSK等幾種通信領(lǐng)域中最常用的信號(hào)調(diào)制方式在該信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器上的具體實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞:DDS;AD7008;信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器:ISA中圖分類號(hào):TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BAbstract:ThispaperintroducesthebasicprinciplesofDDS(DirectDigitalSynthesis),andthefunctionalconstitutionandrunningmechanismofAD7008.ThenthedesignofthesignalgeneratorandmodulatorbasedonADT008,alongwithitsinterfacecircuitwith1SAbusofindustrycontrolcomputersispresented.Atlast,realizationschemesofimplementingQAM,AM。FSKOilthedesignedsignalgeneratorandmodulatorareanalyzedindetail.Keywords:DDS;AD7008;SignalGeneratorandModulator;ISA引言在一些導(dǎo)航、檢測儀器儀表、通信系統(tǒng)中,往往需要頻率、幅度、相位都能由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制且精度要求較高的信號(hào)源,這往往是這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。如今高精度的信號(hào)源可以通過一種叫做“直接數(shù)字合成”的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。直接數(shù)字合成(DirectDigitalSynthesis),簡稱DDS,是一項(xiàng)較新的數(shù)字化頻率合成技術(shù)。與傳統(tǒng)模擬的頻率合成技術(shù)相比,DDS技術(shù)具有:成本低,功耗低頻率分辨率高.頻率切換速度快,頻率轉(zhuǎn)換時(shí)輸出相位連續(xù),幅度、頻率和相位均可由程序精確控制等優(yōu)點(diǎn)。因而廣泛應(yīng)用在信號(hào)發(fā)生器、通信系統(tǒng)、檢測與電子儀器等領(lǐng)域,是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。1DDS的基本原理DDS芯片一般由頻率寄存器、相位累加器、正弦函數(shù)相位一幅值轉(zhuǎn)換表和數(shù)模轉(zhuǎn)換器fDAcl組成,如圖l所示。陬鬲丑姬墮陋型怔至忙I器卸l、圖1DDS的基本組成結(jié)構(gòu)通常正弦信號(hào)是以幅度隨時(shí)問變化的關(guān)系式來表示的:口(f)2sin(tat)或a(t)=cos(at),它們之間的關(guān)系是非線性的,因而在應(yīng)用上很不方便。然而,當(dāng)信號(hào)的頻率一定時(shí).相位與時(shí)間的關(guān)系卻是線性的。在單位時(shí)間內(nèi),相位角產(chǎn)生固定的增量,并且呈周期性變化,在~個(gè)周期內(nèi)它的變化范嗣是0-27t,變化的速率,即角頻率∞與信號(hào)的頻率有關(guān),關(guān)系為∞=2萬,。給定一個(gè)固定的時(shí)間dt,相位角的增量則為△≯="dt。所以m=29f=a?/at,得f=A≯/(2Jr?dr),這就是固定時(shí)間衍內(nèi)相位的增量△妒與信號(hào)閻飛:碩士頻率廠的對(duì)應(yīng)關(guān)系。DDS便是利用這—關(guān)系通過改變單位時(shí)間內(nèi)相位增量△妒,來調(diào)控產(chǎn)生頻率為的正弦信號(hào)/。在DDS實(shí)際應(yīng)用中,這卻靛懶拍偽DDS芯片工伯翔慚周期,即I/允。(允oc。為DDS工作的參考頻率,一般由高穩(wěn)定度的晶體振蕩器產(chǎn)生)。邊陣,用1/fcz。代昏衍,,{;喇=:廠=△妒厶。/2x①這個(gè)被DDS用來控制輸出信號(hào)的頻率的△妒存儲(chǔ)在頻率寄存器中,被稱為頻率控制字(FCW,記為∥。)。它實(shí)際上就是每個(gè)DDS工作時(shí)鐘周期內(nèi),相位累加器的增量值,并且叮由用戶程序設(shè)定。相位累加器由相位加法器和相位寄存器構(gòu)成。每一次時(shí)鐘脈沖到來時(shí),相位加法器就將相位寄存器中保存的上一次加法運(yùn)算后的當(dāng)前相位值與頻率寄存器中保存的頻率控制字FCW(卸)相加,然后將相加后新的相位累加值保存到相位寄存器中。相位寄存器將該新相位值送到相位加法器的輸入端,留作下一次時(shí)鐘脈沖到來時(shí)繼續(xù)與頻率控制字作加法運(yùn)算。相位累加器就是如此在高穩(wěn)定度參考時(shí)鐘脈沖的作用下,對(duì)當(dāng)前相位值不斷地進(jìn)行增量恒定(增量為△妒)的線性累加。每次時(shí)鐘脈沖后,相位累加器都將當(dāng)前相位累加結(jié)果送往相位一幅度轉(zhuǎn)換表。經(jīng)查表后,相位值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的幅度值,最后由DAC輸出該幅值大小的模擬電信號(hào)。當(dāng)累加的當(dāng)前相位值超出了相位寄存器最大位數(shù)所能表示的數(shù)值時(shí),即相位寄存器發(fā)生溢出,便完成了一個(gè)周期的正弦信號(hào)輸出。此時(shí),相位寄存器會(huì)自動(dòng)清空,重新從零開始新一輪的相位累加,即DDS芯片開始新一個(gè)周期的正弦信號(hào)輸出。相位寄存器的溢出頻率即是DDS輸出信號(hào)頻率。2DDS芯片AD7008及基于該芯片的信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器AD7008是AnalogDevices,Inc.公司生產(chǎn)的一款應(yīng)用頗為廣泛的DDS芯片。它同時(shí)支持串行和并行數(shù)據(jù)輸入,具有信號(hào)幅度、頻率、相位均可精調(diào)及功耗低等優(yōu)點(diǎn)。其支持的時(shí)鐘頻率有兩種:20MHz和50MHz。理論上DDS芯片的最大輸出頻率滿一252—360元/年郵局訂閱號(hào):82—946萬方數(shù)據(jù)匿查垂塑垂塑受囊豳遣子設(shè)計(jì)足Nyquist采樣定律,當(dāng)AD7008的最島時(shí)鐘頻率為50MHz時(shí),表2命令寄存器CR功能表…其可輸出頻率范例墁淪值為0.25MHz。2。lAD7008芯片戇蠹都結(jié)搦。AD7008芯片內(nèi)包含一個(gè)32位的并行寄存器、一個(gè)32位的串行寄存器、兩個(gè)32位的頻舉寄存器、一個(gè)32位的相位累加器、一個(gè)12位的紉始擺位寄存器、正/余弦襁位一幅度轉(zhuǎn)換表、一個(gè)按鍵拆分成麗郝分使篇鮑20位正交懈魔凋翩寄存器、一個(gè)10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器等,詳見圖2。2.2AD7008芯脖的使用方法’AD7008芯舞與終幫鵑接爨生要有:搴行數(shù)據(jù)輸入接鏊SDATA和SCLK,并行數(shù)據(jù)輸入接口Do~D15及西和廝,傳輸控制接口TC0~TC3殿LOAD.頻率寄存器選擇接口FSELECT,量程調(diào)節(jié)接EtFSA掰USl’秘%。等。其中32位串行數(shù)據(jù)寄存器秘32位并行數(shù)據(jù)寄存器町根據(jù)實(shí)際需要同時(shí)或單獨(dú)使用,可由其相應(yīng)的接121引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入操作。對(duì)芯片內(nèi)部其它的功能性寄存器(如命令寄存器、頻率毒存辮、裙戇囊{譴辮存器、歪交螓疰調(diào)裁態(tài){莩器》不簏盛接麥外部賦傻,要講色們所賦的值,都必須先寫入串行或并行數(shù)據(jù)輸入接翻寄存器中。然后在傳輸控制接口TCO~TC3及LOAD撩應(yīng)不弼熬引腳縫會(huì)(傳輸命令,下,送{主不嗣的功錢燃寄存器。傳輸控制接口TC0一TC3及LOAD的不隨弓l辯韁合,與其所表示的不同的數(shù)據(jù)傳輸源寄存器與目的寄存器的組合(傳輸命令)的美系如表1所示。其中特j5IJ值得注意的是,用來設(shè)定芯片工終狀態(tài)豹命令寄移器廷麓逶過并行數(shù)援寄存器來囊蕊傳羧數(shù)據(jù),鼠它只南CRO—CR3這4位組成,CRO。CR3不同的值代表要對(duì)芯片設(shè)置的不同的工作狀態(tài),具體如液2所示。頻率寄存器選攆接口FSELECT=O《1j時(shí),輳凼信號(hào)鶼頻率蟲頻率毒莓器FREQO(FREQIj巾的頻率控鍘字%。(甄。)決定。量程蠲蒂接121FSADJUST和‰用來調(diào)節(jié)滿疑程輸出電流的大小。圖2AD7008功能框圖lll2.3堪于AD7008的信號(hào)發(fā)生及涮制器r作過程在零設(shè)計(jì)孛,剩耀AD7008蕊冀設(shè)詩了一塊基予王泣控裁計(jì)算機(jī)tSA插槽擴(kuò)展卡的信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器。擴(kuò)媵卡上AD7008芯片與計(jì)算機(jī)ISA接口的電路設(shè)計(jì)濺輯框圖如網(wǎng)-3。該信號(hào)發(fā)生及調(diào)割器的工幸#過程壘H下:《1)設(shè)要得蠢豹輸出信號(hào)的頻率兔毛。ISA擴(kuò)曩書上供AD7008使用的參考頻率源的頻率為五一=50MHz。由于AD7008的相位累加器是32位的,根據(jù)前面所述的DDSTl作原理.敝將式②棗豹2筇替換蠹23乙毒薅到頻率控割亨FCW(%)的詩算式如下:睨=2”?丘所。。②表1TCO~TC3信號(hào)與源寄存器、目的寄存器的對(duì)應(yīng)關(guān)系…m0;O8他數(shù)據(jù)寫入,D#MOI¥;f=甩,井行寄存囂錐駕一敬向左移s艇,癌此32位寄存赫蒜要4提撩薤寫入。=l16{j:轂幫t;人.每’;揀向‘裨16p,辯此j2位毒存囂籬耍2次棒繕’;凡。CRI神II靖I葉憤A。=Ifif,助ft似H他偉,t內(nèi)湍時(shí)鐘和DA¨拇囂rI:札t斷.(飛2卻^M屯斂-一I’個(gè)灶什咖0:輸’]:n硅,上DA¨執(zhí)囂。lAM^;塒,可UL理AM嗣QA,M捌捌揀j¨轡如毋.FqELF(_T、LOAD,TCO.Ⅸ'{iq’jCLO(K瓣轡一l蝌蟄乓阱,FSELECT.LOAD,TCO—TC3信垮與(.LOCK抖事.有利卡對(duì)擰制億q的快璉響應(yīng),(2)通過對(duì)勞行數(shù)據(jù)輸入接口西、顢翔DO.D7以及傳輸挖涮接銎TC0-TC3纛LOAI)翡操作。囪露要瑤虱懿貉臻蠢毫慳寄存器(如命令寄存器、頻率寄存器等)賦值。(3)其中需要注患的怒:一定要最先對(duì)命令寄存器進(jìn)行賦馕;頻率寄存器豹使(頻窶控制字FCW)由式②計(jì)算褥l電;要譬入并行寄存器酶32位數(shù)赭汀以拆分成4個(gè)8位數(shù)據(jù)。并由0~D7分4次寫入并行寄存器(高位先寫入),另可參見表2中對(duì)此的說明。匿3AD7008與{{-髯視ISA接口電路設(shè)計(jì)逶輟框露3基于AD7008的信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器具體應(yīng)用舉例如圖2新示,利用AD7008內(nèi)部的瞞個(gè)lO位黎法器裙一個(gè)按位拆分為Ij;Ij部分使用的20位正交(I/O)幅度調(diào)制寄存器,可以實(shí)現(xiàn)一些筒單的調(diào)制方式,婦QAM、AM、FsK等。3。lQAM傣號(hào)調(diào)翱秘實(shí)凌一般地,~個(gè)信號(hào)可以分解為防個(gè)相互獨(dú)立的分量:l(同棚)分量和Q(誑交)分量。它們是正交的,互不相干。AD7008的20鱧鞠嚷度調(diào)涮寄存器憋茲IO紐19:0]矮來設(shè)囂1分量蟾大小,后10位[19:101用來設(shè)鬣Q分量的假。在QAM調(diào)制方式中,1分量信號(hào)和Q分量信號(hào)來自同一個(gè)信號(hào)源(載波),它們的頻率相同,故QAM信號(hào)可表永為:sf}》=jf£)?eo《2曩£f專島,-Q(t)?sin(2zef,t÷繡)(黔載波信號(hào)頻率正的設(shè)置可通過對(duì)FREQO或FREQI中侄一個(gè),置采用式②計(jì)算出的頻率控制字%來完成+醵通過初始攘位寄存器寒設(shè)置,經(jīng)過SIN/COSROM查誨表囂,琢戇共l司豹載波相當(dāng)于分為兩路,其申~路不變?yōu)椋悖铮螅ǎ玻罚颍猓媸福埃?,男一路作了90度的相移為sin(2xfj+R),然盾各自乘以10位1分量幅度調(diào)制寄存器的值J(f)與10位Q分嫠幅度調(diào)制寄存器的值Q(t》,最后瑟路分羹裰麓并蠢DAC輸出,這祥便可實(shí)現(xiàn)QAM信號(hào)調(diào)制。3.2AM信號(hào)調(diào)制的實(shí)現(xiàn)AM簧號(hào)豹耘蕊表示蹩s(O=?,【l十m(t)].cos(2rrZt+繡),其孛re(t)是桶制信號(hào)。可以將4fl+,,,f,)j看律~整體并令其等于,(,),將公式改寫為s(t)=l(t),cos(2n'f,t+純J。這樣我們使可看出它其實(shí)是式③中Qff)=0的特鍘。那么AM調(diào)制妁實(shí)現(xiàn)方法便與上述QAM調(diào)翩酶蜜瑗稅麓競金~祥,哭需將粥嚆度瓣翱寄存器酶(鹼目自控同郵局訂閱號(hào):82.946360元/.#-一253—萬方數(shù)據(jù)申子設(shè)計(jì)《微計(jì)算機(jī)信息》(嵌入式與SOC)2009年第25卷第2.2期后lo位【19:10I一直置零即可。207欠諧波的理論幅值為lV,理淪有效值為去;o7072F。表I是各3.3二進(jìn)制FSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)個(gè)數(shù)據(jù)的誤差分析,可以看出主要誤差都在1%.2%之間,其中在二進(jìn)制FSK(頻移鍵控)調(diào)制中,當(dāng)傳送數(shù)字量…0’時(shí)載實(shí)際測量與理論結(jié)果一部分誤差是由于電路信號(hào)噪音等問題波頻率為五,當(dāng)傳送“1”時(shí)載波頻率為Z。其機(jī)制是利用基帶數(shù)造成的。字信號(hào)(矩形脈沖)對(duì)單一載波信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)不同頻率寄存器進(jìn)行選通。在利用本信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)中,可以將厶、』對(duì)應(yīng)的頻率控制字町。、町。分別送往頻率寄存器FREQ0和FREQl,并將基帶數(shù)字信號(hào)連接到頻率寄存器選擇接口引腳FSELECT。這樣便可實(shí)現(xiàn)由基帶數(shù)字信號(hào)的高低電平來選擇載波頻率的二進(jìn)制FSK調(diào)制了。4結(jié)束語本文介紹了利用DDS芯片AD7008實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生與調(diào)制的方法,這些方法均已在筆者的實(shí)際工程中得以成功的使用和驗(yàn)證。實(shí)際應(yīng)用表明,通過ISA總線接口利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)來控制基于AD7008芯片的信號(hào)發(fā)生及調(diào)制器,可以方便地實(shí)現(xiàn)不同頻率信號(hào)的發(fā)生及切換,輸出信號(hào)頻率分辨率高、波形失真度小,并能夠?qū)崿F(xiàn)QAM、AM、FSK等調(diào)制功能。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):闡述了工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與DDS芯片的接口設(shè)計(jì)思路及實(shí)際應(yīng)用舉例。項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益40萬元。參考文獻(xiàn)【1]AnalogDevices,Inc.CMOSDDSModulatorAD7008DataSheet,1995[2]IntelCorporation.IntroductionToDirectDigitalSynthesis,1999【3]黃愛蓉.高性能DDS信號(hào)產(chǎn)生器的設(shè)計(jì)研究【J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,8—1:16—32作者簡介:閻飛,男,出生年月:1983年5月,籍貫:遼寧省大連市,碩士研究生;上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,儀器科學(xué)與工程系,主要研究方向:測試系統(tǒng)中的信號(hào)處理:顏德田,男,上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院,儀器科學(xué)與工程系,副教授,高級(jí)工程師。Biography:YANFei(1983一),Male,Liaoning,Dept.ofInstrumentScience&Engineering.ElectronicInformation&ElectricalEngineeringSchool,ShanghaiJiaoTongUniversity,MajorinPrecisionInstruments,Researcharea:signalprocessinginmeasuringsystem.(200240上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系)閻飛顏德田(Dept.ofInstrumentScience&Engineering.ElectronicIn-formation&ElectricalEngineeringSch001.ShanghaiJiaoTongUniversity200240)YANFeiYANDe-tian通訊地址:(200240上海閔行區(qū)東川路800號(hào)上海交通大學(xué).B0603591班)閻飛(收稿El期:2009.01.03)(修稿日期:2009.02.05)(上接第145頁)因?yàn)樾盘?hào)源輸出的信號(hào)存在微小的變動(dòng),因此取其平均值,理論基波幅值為5.05/2:2.525V、理論有效值為百2525=一刖,5結(jié)束語本文的創(chuàng)新點(diǎn)是以高速定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812為核心,輔以高精度的數(shù)據(jù)采集芯片AD7656,內(nèi)部采用高效的實(shí)序列FFr算法,實(shí)時(shí)監(jiān)測性能比傳統(tǒng)的諧波檢測系統(tǒng)有了很大的提高,同時(shí)具有比較好的性價(jià)比。經(jīng)實(shí)際測試表明此檢測系統(tǒng)已達(dá)到了國家A級(jí)諧波分析儀的要求。參考文獻(xiàn),【1]TMS320F281xDataSheet[Z】.TEXASINSTRUMENTS.2001。[213:毅.尹為民.石敏.基于TMS320LF2407的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)【J】.微計(jì)算機(jī)信息,2007,6—2:175—176?!海常焙铥惾A.基于TMS320VC33實(shí)現(xiàn)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)fJ].微計(jì)算機(jī)信息,2007,2一l:92—94?!海矗瘪T紅巖,趙雙喜,張建成等.基于雙CPU的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)『J1.繼電器。2006,34(7):61—64。f51肖湘寧等.電能質(zhì)量分析與控制fMl.北京:中國電力出版社,2004。作者簡介:陳國磊(198l一),男,浙江杭州人,中國科學(xué)院等離子體物理研究所七室,在讀碩士研究生,主要研究方

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