精確控制DDS輸出信號(hào)幅度的新方法

DDS技術(shù)作為一種先進(jìn)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，用數(shù)字控制的方法從一個(gè)頻率基準(zhǔn)源產(chǎn)生多種頻率，具有高可靠性、高集成度、高頻率分辨率及頻率變化快、控制靈活等特點(diǎn)，在通信與儀表領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用DDS芯片制作的信號(hào)源，輸出信號(hào)的頻率和幅度都可由微機(jī)來(lái)精確控制，調(diào)節(jié)非常方便，常用的幅度調(diào)節(jié)方法是在DDS輸出端加數(shù)字增益控制電路，或者通過(guò)改變DAC的參考電壓或編程電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文介紹一種新的幅度控制方法，通過(guò)控制DDS的DAC滿刻度電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出幅度的調(diào)節(jié)，能夠保證DDS的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)輸出范圍（SFDR）指標(biāo)，而且控制手段更直接、更精確、更靈活。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由三部分組成：單片機(jī)系統(tǒng)，DDS信號(hào)產(chǎn)生與濾波部分，幅度控制部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)采用AT89C52，作為控制中心，它負(fù)責(zé)DDS的信號(hào)產(chǎn)生和頻率刷新，同時(shí)輸出幅度控制信號(hào)調(diào)節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS輸出信號(hào)幅度的靈敏調(diào)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

DDS芯片采用美國(guó)ADI公司的AD9830。AD9830是一種完整的DDS（complete-DDS）芯片，內(nèi)部集成了10位的D/A轉(zhuǎn)換器，采用差分形式輸出，可配置成單端輸出。其SFDR指標(biāo)高達(dá)72dB，采樣速率50MHz，最高輸出頻率可達(dá)25MHz。片內(nèi)還集成兩個(gè)頻率寄存器和四個(gè)相位寄存器，可方便地應(yīng)用于數(shù)字調(diào)制，實(shí)現(xiàn)FSK、QPSK和GMSK等多種調(diào)制功能。

DDS輸出幅度的控制有多種方法，最傳統(tǒng)的方法是在DDS輸出端加數(shù)字增益控制電路，此外，也可以通過(guò)改變DAC的參考電壓或編程電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。AD9830的47腳（FSADJUST）是其DAC滿刻度輸出電流調(diào)整端，通常的用法是在該腳和地之間接一個(gè)編程電阻RSET，改變RSET的大小即可以調(diào)節(jié)AD9830的輸出信號(hào)幅度，但這種方法可操作性較差，控制精度也不高。通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，改變RSET的實(shí)質(zhì)就是改變FSADJUST支路電流，改變FSADJUST支路電流也就能調(diào)節(jié)DDS的輸出信號(hào)幅度。因而提出了這種新的控制方法。

DDS輸出幅度控制部分主要包括一個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器AD7531和運(yùn)算放大器TL071，通過(guò)這部分電路控制AD9830的DAC滿刻度電流的大小，達(dá)到改變AD9830的IOUT輸出電流的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)幅度的精確控制。

2 硬件電路及接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

由于AD9830的輸入數(shù)據(jù)線為16根，需要對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)線進(jìn)行擴(kuò)展。將單片機(jī)的P0口作為數(shù)據(jù)總線口，分時(shí)輸入到兩片8D觸發(fā)器74HC574中，兩片74HC574的時(shí)鐘信號(hào)Latch1和Latch2分別由單片機(jī)P1口的P1.4、 P1.5提供，這樣實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)線由8位到16位的擴(kuò)展。

單片機(jī)P1口的低4位分別控制AD9830的頻率寄存器選擇信號(hào)FSELECT、復(fù)位信號(hào)RESET和相位寄存器選擇輸入信號(hào)PSEL0、PSEL1。P2口的低3位作為地址總線，與AD9830的A0～A2相連。復(fù)用端口P3的P3.6用作AD9830的寫信號(hào)WR。

為滿足D/A轉(zhuǎn)換器AD7531的12位分辨率要求，采用一片74HC175和一片74HC377實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由8位到12位的擴(kuò)展，74HC175和74HC377的時(shí)鐘信號(hào)分別由單片機(jī)P1口的P1.6、P1.7控制。
D/A轉(zhuǎn)換器AD7531的參考電壓由AD9830的REFOUT輸出提供，為高穩(wěn)定的1.21V。
單片機(jī)通過(guò)緩沖器送12位數(shù)據(jù)到AD7531，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換輸出控制電壓到運(yùn)放TL071，經(jīng)放大后輸出到AD9830的47腳（即FSADJUST端），改變AD7531的控制電壓即改變了AD9830的DAC滿刻度電流的大小，也就改變了AD9830的IOUT輸出電流的大小，因此實(shí)現(xiàn)了對(duì)DDS輸出信號(hào)幅度的精確控制。

軟件設(shè)計(jì)

軟件部分采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，主要包括DDS控制子程序和幅度控制子程序。
DDS控制子程序完成對(duì)AD9830工作狀態(tài)、工作模式和頻率參數(shù)的設(shè)置，將單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)寫入片內(nèi)相應(yīng)的寄存器，控制信號(hào)的產(chǎn)生。

幅度控制子程序主要通過(guò)計(jì)算，往D/A轉(zhuǎn)換器AD7531中置入適當(dāng)?shù)姆瓤刂谱郑瓿蓪?duì)DDS輸出信號(hào)幅度的精確和靈活控制。

圖3為主程序流程圖，該流程沒有涉及調(diào)頻和調(diào)相功能。

圖3 主程序流程圖

調(diào)試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際制作和調(diào)試中，采用四層印制版，中間兩層分別為模擬地和數(shù)字地，以加強(qiáng)屏蔽并有利于電源的濾波，在AD9830和AD7531的每個(gè)電源端，都采用0.1μF高頻電容濾波，同時(shí)注意印刷板合理走線，AD9830的數(shù)字地和模擬地分離，且匯總到金屬機(jī)殼的一點(diǎn)上，以降低數(shù)字部分的干擾，保證系統(tǒng)的噪聲和雜散性能。

在幅度調(diào)整電路中，電阻R1起到減少漂移的作用，不可或缺。R4是限流電阻，一般取1kΩ，同時(shí)要注意TL071的電壓輸出值VDC不能過(guò)大，以保證AD9830的DAC滿刻度輸出電流IOUT不超過(guò)最大值21mA，VDC和IOUT滿足以下關(guān)系：
IOUT=16×(1.21-VDC)/R4

實(shí)驗(yàn)中，我們用Agilent83620A作為DDS的參考時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)AD9830產(chǎn)生頻率為1kHz～10MHz的正弦信號(hào)，用HP8592E頻譜儀測(cè)量輸出，幅度調(diào)節(jié)步進(jìn)量在0.1～1dB之間變化時(shí)，信號(hào)頻譜質(zhì)量無(wú)變化，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)輸出范圍達(dá)到68dB。

結(jié)論

與輸出端加數(shù)字增益控制電路的傳統(tǒng)方法以及改變編程電阻的方法相比，本文提出的這種控制DDS輸出幅度的方法更便于實(shí)現(xiàn)精確的控制，同時(shí)又不影響DDS的其他功能，特別適用于需要改變輸出幅度又要實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)相功能的應(yīng)用場(chǎng)合。