怎么设计一种由单片机及计算机控制的合成信号源？

　　高精度测量往往需采用高精度、高稳定性、高分辨率的频率信号源。采用多个锁相环构成的频率合成器，电路复杂、价格昂贵，且信号建立时间长、动态特性较差。近年来发展起来的直接数字式频率合成器（DDS）采用高速数字电路和高速D/A转换技术，具有以往频率合成器难以达到的优点，如频率转换时间短（我们采用Analog公司的AD9835 DDS专用芯片设计了一种由单片机及计算机控制的合成信号源，主要技术指标如下：
　　频率范围：0.1Hz～10MHz
　　频率分辨率：0.1Hz
　　频率稳定度：1×10 -7
　　输出幅度：0～±10V可调
　　输出波形：正弦波、方波（TTL电平）、PSK、FSK、扫频
　　
　　
　　本信号源有可以任意切换的两种控制方法：一种是用PC机上的并口传递控制指令及参数，为此我们用VB编写了Windows 9x操作系统下的控制界面，通过该程序可以非常容易地设定各种控制参数;另一种是用单片机控制，通过面板按钮设定参数和选择功能菜单，便于野外脱机使用。
　　
　　1 DDS工作原理
　　1.1 DDS技术
　　AD9835中使用的DDS技术是从连续信号的相位φ出发，将一个余弦信号取样、量化、编码，形成一个余弦函数表储存在ROM中。合成时改变相位增量，由于相位增量不同，一个周期内的取样点数也不同，这样产生的正弦信号频率也就不同，从而达到频率合成的效果。
　　
　　在这里，余弦波信号本身是非线性的，而其相位是线性的（如图1所示）。因此，每隔一段时间Δt（时钟周期），相对应的相位变化ΔP，即
　　
　　ΔP=ωΔt=2πfΔt （1）
　　从（1）式可得合成信号的频率f为：
　　f=（ΔP×fmc）/2π （2）
　　式中，fmc为固定时钟频率，fmc=1/Δt，通过改变相位值ΔP就可以改变合成信号的频率f。
　　DDS芯片AD9835原理框图如图2所示。其中，相位累加器为32位，取其高12位作为读取余弦波形存储器的地睛。每一次，时钟使相位累加器的输出也即余弦ROM寻址地址递增频率设定数据K，对应的波形相位变化为：
　　ΔP=2πK/2 32 （3）
　　因此，改变相位累加器设定值K，就可以改变相位值ΔP，从而改变合成信号频率f。经简化，合成信号频率由下式决定：
　　f=K·fmc/2 32 （4）
　　
　　式中，fmc=50MHz，用高稳定度晶体振荡器获得。K值在11.2 AD9835芯片内部结构AD9835内部结构框图如图3所示。它有一个32位相位累加器，两个32位频率寄存器F0和F1（用于设定K值），四个12位相位寄存器P0、P1、P2、P3。程控切换F0、F1时，可实现FSK和扫频功能;程控切换P0、P1、P2、P3时，可实现相位PSK调制。余弦函数表储存在ROM中。
　　32位相位累加器的输出值截取高12位后与12位相位寄存器Pi值相加，构成12位的相位地址，去寻址余弦ROM表。寻址得到的幅度值经10位的高速D/A转换后成为合成余弦信号。输出信号S对所有DAC输出噪声N之比SNR主要与D/A的位数有关，即与数字量化噪声有关。理论分析可知10位D/A的SNR可达60.2dB，AD公司资料给出的AD9835实际SNR优于50dB。输出信号总谐波分量畸变量与两主号频率之比m=fmc/f有，m值越大，谐波畸变越小;
　　
　　m值较小时，谐波畸变较大。为消除m较小的谐波畸变，输出端采用LC高阶低通滤波器滤除高次谐波。本例中使用的是5阶Butterworth低通滤波器，可以将50MHz以上的高次谐波降低至-60dB，完全满足高精度信号源的要求。
　　图3中引脚FSELECT、PSEL0、PSEL1是外加调制信号，可用于对DDS进行直接位控调制，实现数字二值调频（FSK）和数字四值调相（PSK）。引脚FSYNC、SCLK、SDATA用来对DDS进行程控工作模式设定。数据传输方式为同步串行方式。图3中，AD9835可以设定为SLEEP、RESET工作方式，在SLEEP工作方式下，功耗仅为1.75mW。
　　2 DDS信号源设计
　　2.1 信号源框图
　　图4为系统框图。开关SW切向上方时，信号源由单片机控制，工作模式、频率和相位参数由键盘设定，采用8位LED数码管显示，频率分辨率为0.1Hz，可以实现点频、扫频、PSK、FSK四种工作模式。开关SW切向下端时，则由PC机通过计算机并口进行程控，工作模式与单片机控制时相同。为保证0～10MHz的信号输出频带，滤波器采用无源LC 5阶滤波器。AD9835的D/A输出仅1.2V左右，信号经两级宽带高速运放放大近20倍后输出。要满足大信号10V幅度输出时无失真，末级放大器的摆率应满足S≥ωVm。在10MHz时，经计算，S≥600V/μs。
　　
　　2.2 控制程序
　　无论是在PC机上用VB编程，还是在单片机上用汇编语言编程，主程序框图基本一致，如图5所示。在图5中，“初始化”是指对AD9835定入控制字，包括设置SLEEP、RESET、CLR、SYNC、SELSRC等位，还要选择在以后的调制中使用管脚还是串行控制位来控制AD9835。一旦设定后，AD9835将保持设定状态不变，直到重新进行设置。
　　由于AD9835控制参数要求以同步串行方式输入，因此用PC机控制的时候，采用PC机并口输出的办法。用并口数据位线分别模拟帧同步FSYNC、同步时钟SCLK和串行数据SDATA，按参数要求将其串行化后装配成并行数据从并行口输出。另外，由于VB本身不具有口读写功能，因此需要用其他语言编写口读写功能函数后用动态链接库。DLL的形式调用，以实现口输出。本程序也可以和虚拟仪器组合使用，构成虚拟仪器界面的数字频率信号发生器。
　　2.3 实测结果
　　本仪器设计完成后已投入使用，各项指标达到设计要求。从测量情况来看，DDS频率合成器的频率纯度和稳定度相当高。图6为合成器输出频率2MHz时的实测频谱图，图中纵向每分度为20dB，可见一次倍频幅度衰减约为-45dB。
　　
　　图7为PSK相位跳变时的波形实测图，相位跳变值为90度，从波形可以看出，相位跳变的瞬时性和准确度非常好。可以精确控制相位是DDS的一个突出优点，也是其它频率合成手段难以达到的。
　　图8为合成器输出频率从频率寄存器F0跳变到F1时的瞬态波形，波形衔接得非常好，中间没有控制失调的过渡带出现，这也是DDS的突出特点。图9为FSK调制波形。
　　DDS合成信号源具有高稳定性、高精度、高分辨率、高速建立信号等突出优点，是信号源发展的方向，在电子对抗、通讯与测量等许多方面都有重大的应用价值。用DDS与PLD等芯片组合集成的专用ASIC信号源芯片、微型程控式任意波形信号源专用芯片也即将问世，这将是信号源技术的一大革命。利用砷化镓及其它高速材料和技术，可以使DDS频率进一步向高端延伸，从而使其在软件无线电方面具有重要的意义。