AD9850（共4篇）
AD9850 篇1
直接数字合成技术 (Direct Digital Synthesizer, DDS) 是由一个参考频率源产生多种频率的技术, 其采用数字信号控制的相位增量, 具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成等优点。因此, 得到了广泛的应用[1]。本文提出了以直接频率合成芯片AD9850为核心的多功能信号源的设计方案, 给出了实现多种信号生成的具体方法。
1 直接数字频率合成原理及构成
AD9850是美国AD公司推出的高集成度频率合成器, 内含可编程DDS系统和高速比较器, 能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器, 其由一个加法器和一个N位相位寄存器组成[2]。每来一个时钟脉冲, 加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加, 将相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端, 累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端, 以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样, 相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加, 当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出, 完成一个周期性的动作, 这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期, 累加器的溢出频率就是输出的信号频率。相位寄存器的输出与相位控制字相加后, 可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息, 每个地址对应正弦波中0°~360°范围的一个相位点。查询表将输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号, 然后驱动DAC以输出模式量, 实现正弦信号的合成。
相位寄存器每经个fC时钟周期后回到初始状态, 相应地, 正弦查找表经过一个循环回到初始位置, DDS输出一个正弦波。输出的正弦波周期为
频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为
其中, N是相位累加器的字长;M是频率控制字的字长;fC是晶振频率;fout是输出频率, 从式 (1) ~式 (3) 可看出频率控制字与输出信号频率成正比关系。相位累加器输出位并不全部加到查询表, 而要截断。相位截断减小了查询表长度, 但并不影响频率分辨率, 对最终输出仅增加一个较小的相位噪声。DAC分辨率一般比查询表长度小2~4位。通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率, DDS的最小分辨率为
接上精密时钟源并写入控制字后, AD9850就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。如果经过内部高速比较器转换后则可得到方波输出。一个基本的DDS结构, 主要由参考时钟、相位累加器、相位调制器、ROM查找表、D/A转换器 (DAC) 和低通滤波器 (LPF) 构成, 如图1所示。
2 多功能信号源的总体设计
2.1 系统总体设计框架
为实现多功能常用信号源的设计要求, 选用AD9850为频率合成核心芯片, AD9850是一个运用先进的DDS技术, 并结合集成在一片芯片内的高速、高性能的D/A转换电路和比较器构成一个完全数控的可编程频率合成器, 且具有时钟产生功能的高度集成芯片。当有一个精确时钟源作为参考频率源时, AD9850能产生一个频谱很纯的频率或相位可编程的模拟正弦波输出。对于125 MHz参考时钟, AD9850能产生一个32位频率调整控制字, 其导致一个0.029 1 Hz的输出调谐频率分辨率。另外, AD9850采用先进的CMOS工艺, 在3.3 V供电时其功耗仅为155 m W。
将单片机实现对DDS的控制与微机实现的控制相比, 具有编程控制简便、接口简单、成本低、容易实现系统小型化等优点, 因此采用STC89C52单片机作为系统控制芯片, 主要功能是完成对外部信号的采样、运算、频率控制, 键盘数据接收、数据传输等;矩阵键盘用于进行正弦波、方波频率参数设定;各个信号的输出选择, 频偏、调制度的设定以及其他功能设置;按照指标要求可完成正弦波、方波、FM波、AM波、PM波的输出。系统总体框架如图2所示。
2.2 单片机与DDS芯片的连接方式
AD9850的40位频率/相位控制字可通过并行或串行两种方式送入器件。选用并行传输方式, 充分发挥芯片AD9850的高速性能。在并行方式下连续输入5次数据, 每次输入8位 (1 Byte) , 将40位频率/相位控制字送入器件。系统中, 单片机通过数据锁存器和控制锁存器来实现对AD9850模块的控制, 数据锁存器打开时, 控制锁存器关闭, 此时传输数据;控制锁存器打开时, 数据锁存器关闭, 此时根据AD9850的时序对W_CLK、FQ_UD、RESET执行相应的操作。单片机89C52控制AD9850工作连线图, 如图3所示。
3 多功能信号源各个输出信号实现
3.1 正弦波信号的实现
要得到所需要频率的信号, 关键是计算该信号所对应的40位控制字。AD9850中40位控制字其中相位控制占5位, 所以相位控制位的精度为360/25=11.25, 根据实际需要设置不同的相位控制字, 便可实现不同精度的相位控制, 所以相位控制位可采用11.25、22.5、45, 90、180和其的倍数精度来设置, 例如选用11.25°, 用二进制表示为00001, 若相位控制为90°, 则控制字为01000。40位控制字中频率控制占32位, 频率控制字M可根据需要输出频率值经式 (3) 计算得出, 再将所计算出的M通过单片机STC89C52并口写入芯片AD9850, AD9850根据控制字来设定相位累加器的步长大小[3]。AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表, 查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC, DAC再输出两个互补的电流。将波形存储器的输出送到D/A转换器, 得到所需频率的正弦波信号[4,5,6]。
3.2 AM调制信号的实现
AM调制是调制信号控制高频正弦载波的幅度按照调制信号的规律变化的过程。AM调制中, 调制系数Ma是指调制信号与载波信号幅度比, 可根据式 (5) 计算。A、B分别表示波形垂直方向上的最大和最小长度
电路实现采用模拟乘法器集成芯片AD835, 载波信号由AD9850模块产生送给AD835的Y1端, 调制信号由TLC7528构成D/A转换电路产生送给AD835的X1端, 从AD835的W端口输出得到。
3.3 2ASK/2PSK信号的实现
2ASK实现很简单, 通过改变电源控制字的0、1状态实现, 即调制信号为高电平时, W0为0x00;低电平时, W0信号为0x04。
2PSK调制是通过改变相位控制字实现的。W0的高5位是相位控制字, 使W0的最高位 (Phase-b4) 为1, 则相位为π, 即调制信号为高电平时, W0为0x00;低电平时, W0为0x80。
2ASK调制和2PSK调制在T0中断中实现。设定不同按键控制AD9850模块输出2ASK波、2PSK波和退出中断。
3.4 FM信号的实现
FM调制是一种使载波频率按照调制信号改变的调制方式。采用间接调频法, 先积分再调相实现调频, 其优点是提高了中心频率的稳定度。按照要求的频偏值间接调频公式为
其中, fre为载波信号频率;fc为频偏;table[i]是用于D/A转换的64点电压值中的一点。计算频率值, 再计算频率控制字通过单片机并口送入AD9850实现对频率的控制, 即实现FM调制[7,8,9,10]。
4 软件设计
4.1 系统主程序
在系统设计过程中, 对系统软件采用模块化设计方法。系统软件由监控软件、键盘和显示管理模块、各功能模块和数据模块构成。
系统初始化包括对各个芯片的初始化。对AD9850初始化是向AD9850写入设定的频率/相位控制字, AD9850按设定状态输出所需频率的波形, 直到重新对这些控制位进行设定。初始化后, LCD将显示欢迎界面和系统初始状态。键盘管理模块主要是识别命令、解释命令, 并获得完成该命令的相应模块入口, 引导进入正常工作程序。系统软件用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, 可读性和可移植性较好。主程序流程图如图5所示。
4.2 AD9850子程序
AD9850的40位频率/相位控制字, 通过并行方式连续输入5次, 每次输入8位, 将40位频率/相位控制字送入器件。在并行输入方式下, 单片机通过8位总线D0~D7将外部控制字装载到AD9850的数据输入寄存器, 在WCLK的上升沿装入第1 Byte, 并将指针指向下一个输入寄存器, 连续5个WCLK的上升沿读入5 Byte数据到输入寄存器后, WCLK的边沿就不再起作用。然后在FQ_UD上升沿到来时, 将这40位数据从输入寄存器装载到频率/相位寄存器。这时, DDS的输出频率更新一次, 同时将地址指针复位到第一个输入寄存器, 以等待下一次的控制字输入, 其工作时序如图6所示。
单片机通过控制“数据锁存器”和“控制锁存器”来实现对AD9850模块的控制, 数据锁存器打开时, 控制锁存器关闭, 此时传输数据;控制锁存器打开时, 数据锁存器关闭, 此时根据AD9850的时序对W_CLK、FQ_UD、RESET执行相应的操作。AD9850模块的子程序流程图如图7所示。
5 系统测试
5.1 正弦波/方波信号指标测试
经测试, 系统可产生20 Hz~40 MHz的平滑正弦波, 正弦波在20 Hz~40 MHz频率范围内的频率误差在±0.5%之内, 输出电压最小能保持在0.3 V, 最大能保持约在5 V, 频率最小步进可达1 Hz, 波形稳定, 无失真。测试结果如图8所示。
5.2 2ASK/2PSK测试
示波器观察2PSK和2ASK波形, 其中载波为固定频率200 k Hz, 波形分别如图10和图11所示。
5.3 FM调制波指标测试
利用数字示波器测试FM性能, 载波频率为200 k Hz, 10 k Hz/20 k Hz二级调节的最大频偏测试数据达到10 k Hz/20 k Hz的频偏, 具体图像如图12和图13所示。
5.4 AM调制波指标测试
示波器观察AM信号。载波信号频率为10 k Hz, 调制信号频率为100 Hz。记录每次已调信号的试验结果, 计算调制度。调制系数的测试及计算数据调幅波的调制度随调制信号幅度变化线性较好, 能够实现10%~100%的调制度。图14和图15所示为载波频率10 k Hz, 调制频率100 Hz下的AM波, 其中, 图14调制系数为95%, 图15调制系数为45%。
6 结束语
以芯片AD9850为频率合成的核心, 以单片机 (89C52) 为控制和数据处理核心, 实现了正弦波、方波、调频和调幅等常用波形的产生和输出, 结合键盘和显示部分, 实现了任意频率值的选择和显示, 构成了一个完整的实用的信号发生器。该信号发生器能在10 Hz~20 MHz范围内以任意频率输出, 步进值可调, 最小步进可达到1 Hz, 幅度0.3~5 V;可在固定载波频率下进行数字键控, 产生2ASK/2PSK信号;实现了频偏为10 k Hz/20 k Hz的调频波;采用AD835乘法器, 实现常规双边带调幅。经系统测试和实验数据的分析结果表明, 该系统具有稳定性好、精度高、范围宽等优点。
摘要：AD9850以芯片为多功能信号源频率合成核心, 以单片机 (89C52) 为控制和数据处理核心, 实现了正弦波、方波及AM、FM、ASK、FSK、PSK等调制波形的产生和输出。结合键盘和显示部分, 实现了任意频率值的选择和显示, 构成了一个完整实用的信号发生器。该信号发生器可在10 Hz40 MHz范围内实现任意频率的输出, 步进值和输出幅值可调。经过对系统的最终测试与实验数据分析表明, 该系统具有稳定性好、精度高、且范围宽等优点。
关键词：多功能信号源,DDS,89c52,AD9850
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AD9850 篇2
1 AD9850芯片性能及管脚功能
AD9850采用了先进的CMOS工艺,支持5 V和3.3 V两种供电电压,在3.3 V供电时功耗仅为155 mW,扩展工业级温度为-40～+80 ℃。支持并行或串行输入控制接口形式,最大支持时钟频率为125MHz,此时输出的频率分辨率达0.029 1 Hz。采用28脚SSOP表面封装形式,其管脚功能如图1所示。
AD9850分为可编程序DDS系统、高性能数/模变换器(DAC)和高速比较器三部分,其中可编程DDS系统包含输入寄存器、数据寄存器和高速DDS三部分[3,4]。高速DDS包括相位累加器和正弦查找表,其中相位累加器由一个加法器和一个32位相位寄存器组成,相位寄存器的输出与一个5位的外部相位控制字相加后作为正弦查找表的地址。正弦查找表包含一个正弦波周期的数字幅度信息,每一个地址对应正弦波中0～360范围的一个相位点。查找表输出后驱动10 b的DAC转换器,输出两个互补的电流,其幅度可通过外接电阻Rset来调节,输出电流可由Iset=32(1.248 V/Rset)来计算,Rset的典型值为3.9 kΩ。输出信号经过外部的一个低通滤波器后接到AD9850内部自带的高速比较器,即可产生一个与正弦波同频率且抖动很小的方波[5]。
2 AD9850的控制字及控制时序
AD9850的控制字有40位,其中32位是频率控制位,5位是相位控制位,1位是电源休眠控制位,2位是工作方式选择控制位。在应用中,工作方式选择位设为00,因为01,10,11已经预留作为工厂测试用。相位控制位按增量180°,90°,45°,22.5°,11.25°或这些组合来调整。频率控制位可通过下式计算得到:
undefined
其中:fout要输出的频率值;fr为参考时钟频率;W为相应的十进制频率控制字,然后转换为十六进制即可[6]。
AD9850有串行和并行两种控制命令字写入方式。其中串行写入方式是采用D7作为数据输入端,每次W_CLK的上升沿把一个数据串行移入到输入寄存器,40位数据都移入后,FQ_UD上升沿完成输出信号频率和相位的更新。串行控制字的写入时序如图2所示。但是要注意的是,此时数据输入端的三个管脚不可悬空,其中D0,D1脚接高电平,D2脚要接地[7]。
3 硬件电路设计
AD9850控制字的写入方式有串行和并行两种。并行写入方式的优点是数据传输的速度快,能够提升整个系统的处理速度,但占用的单片机的I/O口资源太多。与并行方式相比,串行写入方式在数据传输的速度上要慢些,但它更大优点是能节省很多I/O口资源[8]。所以,本系统采用AT89S52单片机作为控制核心,通过串行写入控制字的方式控制AD9850芯片,加上键盘和LED显示部分等外围电路,构成整个系统电路。为了详细介绍AD9850的用法,这里重点给出本系统中AT89S52单片机与AD9850芯片连接电路,如图3所示,其中R1=3.9 kΩ,R2=50 Ω,R3=25 Ω,单片机晶振选用12 MHz,电容采用20 pF经典值。单片机采用12 MHz晶振时,它的高电平时间能够满足AD9850复位要求,故可将AD9850的复位端与单片机的复位端直接相连。
4 软件部分设计
软件程序的功能就是通过程序使整个系统按照人们的设想要求工作起来,本系统中最主要的部分就是将AD9850的40位控制字通过单片机写入到AD9850芯片内,系统的程序流程图如图4所示。要根据写入控制字方式的不同严格按照AD9850的时序图来编写控制字写入子程序[9,10]。本文主要给出串行写入方式的汇编源程序以供读者调试参考。
AD9850数据传送子程序如下:
5 结 语
本文在介绍经典DDS芯片AD9850的基础上,采用AT89S52单片机设计了一个串行控制方式的正弦信号发生器可行性方案,并给出了部分重要电路图和调试源程序。最后笔者通过实际电路的测试表明,该电路设计方案正确可行,频率容易控制,操作简单灵活,且具有广阔的应用前景。
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AD9850 篇3
关键词：AD9850,分频移相,推挽放大器,电荷放大器,带通滤波器
0 引言
由于超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的能量, 且传播距离远、灵敏度高的特点而被广泛的用于海底声学测量、无损检测、超声测距等方面[1]。超声无损检测技术在海洋沉积物研究和现场探测中也广泛应用。在超声探测的过程中, 超声信号的精度和稳定度是影响测量精确度的因素之一, 因此在海底声学测量中, 为了获得准确的、高精度的测量数据, 一个稳定的、高精度的信号源是十分必要的[2]。传统的模拟信号源很难保证信号高精度和高稳定性, 直接数字合成 (DDS) 技术是近年来新的FS技术, 具有分辨率高、频率变换速度快、波形失真小、频率合成范围宽、相位可编程控制和功耗低等优点而被广泛应用。同时其信号频率的改变是通过数字化来实现的, 无需像传统的模拟信号源那样通过改变电阻电容参数的大小来改变频率[3]。而本文主要介绍用于海底地质声学特性测量的换能器的驱动与接收电路, 以DDS技术的AD9850芯片作为信号源。
1 系统设计方案
系统的整体设计方案如图1所示, 系统的控制命令由PC机发出, 采用单片机作为AD9850的控制芯片, 来控制系统的加载方式和输出频率与相位;用分频移相的方法来实现单路脉冲信号转换成一对推挽信号, 通过光电耦合进行光电隔离后再进行推挽功率放大和阻抗匹配对发送换能器进行驱动。然后用换能器对信号进行接收, 由于所接收的信号强度很弱并且含有许多杂波, 因此必须对接收的信号进行放大滤波处理。
2 系统硬件电路的设计
2.1 AD9850信号发生电路
AD9850是Analog Devices公司采用DDS技术和片内高速高性能的D/A转换器和比较器相结合, 推出的一种高度集成的频率合芯片。AD9850需要一个精确的外部参考时钟源, 其内核提供了一个32位的频率控制字, 使得在最大参考频率125 MHz下的分辨率能够达到0.029 1 Hz, 其输出的频率更能够达到参考时钟频率的一半 (62.5MHz) , 输出频率改变速度达23次每秒。同时还有5位的相位控制字以控制其输出相位。频率、相位控制字通过并行或串行方式加载到AD9850, 并行方式有5个8位的控制字迭代组成, 第一个字节包括5位相位控制位、掉电使能信号和工作方式控制位;第2-5字节为32位频率控制字。串行工作方式是通过在D7 (25引脚) 输入40位串行数据。本文所采用的是并行加载方式加载控制字, 其输出频率可由公式[4]:
fout为输出频率, ΔPhase为32位相位控制字, CLKIN为输入参考频率
单片机具有成本低、接口简单、控制编程简便、系统容易实现小型化等特点, 因此本系统采用AT89C52作为AD9850的控制芯片。单片机与AD9850接口连接关系如图2 (a) 所示。AD9850的D0-D7口与单片机P0口相连接, 实现以并行方式接收来自P0口的40位控制字, FQ_UD与单片机的P2.6口相连, W_CLK与P2.7口相连。40位控制字分为5个字节向D0-D7口传送, 每次传送一个字节, 在P0口向D0-D7发送数据之前W_CLK必须为低电平, 数据发送后经过tDS时间后将W_CLK置为高电平, 数据在W_CLK的上升沿读取来自P0口的数据, 然后再将W_CLK置为低电平再进行下一个字节的数据读取, 当控制字读取完后先将FQ_UD频率更新控制位置为低电平, 再将FQ_UD置高, 经过tFH时间后再将FQ_UD拉低, 此后系统的频率就更新为所设定的频率值。AD9850控制字的并行加载时序如图2 (b) 所示[4]。
2.2 分频移相电路的设计
AD9850输出是两路互补的脉冲信号, 没有死区的信号在推挽电路中会造成两驱动管同时导通, 这是不愿看到的。为了得到有死区的推挽信号, 一种方法如图3所示, 将所产生的脉冲信号分为两路, 分别接到由电阻电容组成的死区形成电路中, 通过改变两可调电阻的阻值来分别控制死区宽度, 输入信号是所产生的脉冲波[5]。这种方法虽然能够实现形成死区的目的, 但是信号源所产生的脉冲信号本身的占空比通常不为50%, 同时两路信号的死区时间不能实现同步调节, 在实际中很难保证两端的死区时间相同, 应用很不方便。
因此本文采取另一种方法来实现, 硬件电路如图4左边虚线框所示。QOUT为AD9850输出的脉冲信号, U6A为一斯密特反相器, 其作用是提高脉冲信号的驱动能力;经过U6A后信号分为两路, 一路作为处于计数状态的J-K触发器CD4027的时钟信号, Q和Qˉ则输出两路占空比相同相位相差π、频率为CLK的一半的信号;另一路通过RC的充放电和施密特触发器的门槛电压值的特点来提供死区, 其频率与AD9850的输出信号相同。将J-K触发器输出地两路信号分别与U6B输出地信号进行“与”操作, 因U6B输出地信号频率是J-K触发器输出地两倍, 恰好在J-K触发器的输出信号的上升沿和下降沿形成两个相同的死区, 从而实现了分频移相的功能。
2.3 光电隔离和驱动电路的设计
本部分的硬件电路图如图4右边虚线框所示。
变压器左边是功率放大电路, 通过选用高速的光电耦合器件6N137对强弱信号进行隔离, 6N137的速度能达到10 MBit/s, 而一般所用换能器的中心频率为20 k Hz和40 k Hz, 因此完全能满足需要;电阻R1和R5是用来控制光耦的输入电流, 其值的大小根据6N137的电流参数来确定;电阻R3、R6的作用是为了给6N137提供一个上拉电阻, 为其内部的三极管提供集电极电流;通过调节R2、R7的大小可以调节驱动信号的大小。两路推挽信号驱动场效应管IRF540, 电源adj为可调电压, 通过对adj的调节可以实现不同电压值的输出。两个PNP三极管为场效应管的极间电容提供放电回路, 快速的开关二极管是为了防止MOS管向信号源放电。0欧电阻R4的作用适用于实现模拟地与数字地的连接, 由于0欧电阻的阻值并非为0欧, 在一定程度上起到了限流的作用。与传统的单端反激式的换能器驱动电路相比, 本文所采用的推挽结构有着效率更高, 功率更大, 带负载能力更强的优点。
2.4 换能器阻抗的匹配和变压器的选择
压电换能器必须获得足够的能量才能达到最佳的工作状态, 而最佳的阻抗匹配能够为换能器提供更多的能量, 因此必须在驱动信号与换能器之间进行阻抗匹配以实现驱动信号的能量能够高效的传输给换能器。压电换能器的等效电路如图5左边虚线框所示:
在中心谐振频率时, 其R1、L1和C1阻抗为R1, 因此需要一个外部电感与C0实现调谐, 以消除C0的影响。阻抗匹配一般有静态匹配和动态匹配, 本文中压电换能器的静态谐振频率与信号源的输出频率相同, 因此采用静态匹配。而静态匹配主要有串联电感匹配和电感电容匹配, 本文选用电感电容的方法进行匹配, 电感电容的连接方式如图5L1、C1所示。
令Z的虚部为0, 可得到L与C的关系:
电感电容匹配和单电感匹配相比其实部将进一步减小, 从而其效率进一步得到提高[6]。
脉冲变压器在本系统中起到了升压和阻抗匹配的作用。变压器的选择直接影响输出信号的质量, 因此在选择变压器的时候要保证初级线圈拥有足够的电感量, 电感量若太小, 其感抗较小、励磁电流将会比较大, 甚至会引起变压器的饱和。在制作脉冲变压器的时候还要考虑“集肤效应”的产生, 发生“集肤效应”后, 导线的有效截面积减小, 从而增加了导线的直流电阻, 功率损耗变大, 可能导致变压器升温进而引起变压器饱和, 因此在制作的时候可以采用相对细的线进行双线并绕或多线并绕的方法进行绕制以避免“集肤效应”的发生[7]。本系统选择初级次级匝数比为9:12、初级采用双线并绕的脉冲变压器, 系统的空载输出电压峰峰值能达到400 V。
2.5 信号接收电路的设计
2.5.1 电荷放大器的设计
由于压电换能器阻抗比较高, 并且呈容性状态, 带负载能力很差, 而他们在工作时将产生电荷量, 且有很好的线性度。电荷放大电路将电荷量转换成电压量, 同时不受电缆电容的影响, 因此在压电等容性元件的放大电路的初级端采用电荷放大电路较好[8]。基本的电荷放大电路组成部分如图6左边虚线框所示。
电容Cf两端的电压UC, 输出电压为UO
由于该电路中电容C没有放电回路并且输入端处于悬置状态, 没有输入偏置电流回路, 因此需对电路进行改进, 改进电路如图6信号接收电路的中间虚线框中所示。
本系统中C3选为220 p F, R9为100 kΩ, R12起限流作用, 对放大器输入端有一定的保护作用。两个二极管是对的输入信号幅值进行限制保护放大器, 由于换能器的输出电阻较大, 因此应选用输入阻抗较大的运算放大器[9], 本文选用的是JFET输入的LF357作为电荷放大器, 其输入电阻达到1012Ω。
2.5.2 带通滤波器
本系统中采用无限增益多路反馈 (MFB) 型二阶带通滤波器作为滤波电路, 电路结构如图6右边虚线框所示。其传递函数为:
通常将二阶带通滤波器写成公式 (7) 这种格式:
而巴特沃斯型二阶带通滤波器的典型公式为:
在选择参数大小时, 首先根据系统实际情况设定节点增益K和品质因数Q。在选择电容C5、C7的电容值最好要满足以下条件:
用2πf0代替ω0, 由 (6) 、 (7) 、 (8) 式可得如下关系:
根据以上几个公式可以确定二阶带通滤波器的设计参数, 最终的参数值需根据标准值来选取[10]。为了设计方便, 通常选择电容C5与C7的电容值大小相等。本文中信号系统的中心频率为40kHz, 则C5为250pF, 根据标称值取220pF, 系统K=3, Q=4, 则得到:
R11=24 kΩ, R13=2.5 kΩ, R10=145 kΩ, 最后将其标准化, 取R11=24 kΩ, R13=2.4 kΩ, R10=150 kΩ。
3 软件设计
软件系统主要的内容是对的AD9850的初始化、控制字的编写、频率的更新和驱动信号控制位, 控制命令Contr用来控制驱动信号对MOS管的驱动, 其流程图如图7所示。
4 实验与结论
本系统实验所使用的压电陶瓷超声换能器其中心频率为40 k Hz, 脉冲信号驱动后的输出信号为标准的正弦波, 通过对系统电路的调试, 换能器发送和接收的波形均为很好的正弦波, 本系统中示波器所测得的波形如图8所示。
Y1、Y2为移相分频后的推挽脉冲波, Y3为标准的没有分频的80 k Hz的脉冲波, Y4为接收换能器输出信号经过放大和滤波后的输出波形。因为图8中的绘图数据是通过示波器自动保存的点对点的数据图, 所采用的是Tektronix的TDS2014B示波器, 其采样最高速率为1 GS/s;由于系统硬件电路的延迟, 使得Y4相对信号的输出波形Y3有一定的滞后时间。通过对比可以看到, 本文设计的电路满足了换能器驱动信号的要求。系统中的设计参数通过了严格的推导和计算得来的, 性能表现良好。调节adj电压的大小和响应参数可提高输出电压和功率, 从而可用于较大距离和对声波能量吸收较大的物体进行超声测量, 本系统配上数据采集卡可以直接用于对海底超声测量、气泡流量测量、岩体测量等方面的应用。
参考文献
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[9]居伟骏.基于压电单晶的压电复合换能器研究及其应用[D].北京:北京机械工业学院, 2006.
AD9850 篇4
1.1 课题研究的意义与作用
1971年, 美国学者j.Tierney等人撰写的“A Digital Frequency Synthesizer”-文首次提出了以全数字技术, 从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。限于当时的技术和器件水平, 它的性能指标尚不能与已有的技术相比, 故未受到重视。近10年间, 随着微电子技术的迅速发展, 直接数字频率合成器 (Direct Digital Frequency Synthesis简称DDS[2]或DDFS) 得到了飞速的发展, 它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面, 并具有极高的性价比。
1.2 DDS的研究现状及发展趋势
在频率合成 (FS, Frequency Synthesis) 领域中, 常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环 (fractional-N PLL Synthesis) 等, 直接数字合成 (Direct Digital Synthesis-DDS) 是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源, 通过精密的相位累加器和数字信号处理, 通过高速D/A变换器产生所需的数字波形 (通常是正弦波形) , 这个数字波经过一个模拟滤波器后, 得到最终的模拟信号波形。如图1所示, 通过高速DAC产生数字正弦数字波形, 通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号, 最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。
DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外, DDS的固有特性还包括:相当好的频率和相位分辨率 (频率的可控范围达μHz级, 相位控制小于0.09°) , 能够进行快速的信号变换 (输出DAC的转换速率300百万次/秒) 。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。
其实, 以前DDS价格昂贵、功耗大 (以前的功耗达Watt级) 、DAC器件转换速率不高, 应用受到限制, 因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展, DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件, 其功耗降低到m W级 (AD9850在3.3v时功耗为650mW) , 功能增加了, 价格便宜。因此, DDS也获得广泛的应用:现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PCN系统、雷达、卫星通信。
2 DDS信号源系统设计[1]
2.1 正弦波生成方案
采用单片机最小系统与AD9850并行接口方式对时钟频率进行分频控制, 再连接锁相环, 是输出波形的频率更加稳定。如图2所示, AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器, 能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850是以高速的直接数字合成器 (DDS) 为核心根据设定的32位频率控制字和5位相移控制字, 可产生0.029Hz到62.5MHz的正弦波信号和标准的方波信号, 而且DDS芯片转换速度快、性能价格比高、体积小、输出波形稳定度, 精度高、分辨率高, 而且输出波形的频率、相位可控, 能达到题目预期的效果, 操作方便, 易于实现。
2.2 正弦波的生成
本设计中单片机[3]最小系统中的AT89S52与AD9850芯片的接口采用的是8位并行接口方式。AD9850的频率/相位控制字一共有40位, 并行加载时, 要连续加载5次, D7位最高位, D0位最低位。频率相位控制字的第一个8位中的5位用来控制相位的调制, 1位用来低功耗, 2位用于装载格式。第2个字节到第5个字节组成32位的频率控制字, 其输出信号的频率f=fclk*wd/232, 其中f为32位频率控制字的值, fclk为工作时钟。AT89S52的P2口 (P2.0脚～P2.7脚) 与AD9850的数据口 (D0脚～D7脚) 相接, AD9850的第7脚WCLK是加载时钟, 与引脚FQUD配合, 完成数据加载, FQUD为频率/相位更新控制。用单片机的P1.3与P1.1分别与AD9850的WCLK和FQUD相连接, 模拟控制字写入时钟来控制数据的定入。本设计中AD9850选用的时钟为100MHz。AD9850波形的输出频率可以达到几十MHz。
利用AT89S52来进行键盘控制1602字符显示屏来显示。初始化时, 由芯片AT89S52控制的1602字符显示屏显示“2008刘涛制作”, 当按下S1建时, 步进值为1KHZ;按下S2建时, 步进值为负1KHZ;按下S3建时, 步进值为10KHZ;按下S4建时, 步进值为负10KHZ;按下S5建时, 步进值为100KHZ;按下S6建时, 步进值为负100KHZ;于此同时1602字符显示屏将实时显示输出频率值, 显示当前步进值, 显示输出频率的单位。
3 软件设计
3.1 软件功能的实现
程序全部由单片机的C语言编写, 由正弦信号发生模块、1602显示模块、键盘控制模块、汉字输入欢迎词模块以及测试信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9850产生0Hz-35MHz正弦信号, 1Hz-1MHz方波, 输出方波频率为500KHz时上升沿和下降沿有点失真, 幅度为5V, 最高输出正弦波频率为35MHz无失真, 幅度为0.6V。测试信号发生模块产生的1kHz正弦信号。
3.2 软件流程图
3.2.1 总设计流程图
在对系统初始化后, LED显示2008刘涛, 同时AD9850都产生1KHz的正弦波和方波。作为信号发生器的AD9850将在键盘的控制下产生预定的正弦波和方波。设计流程图如图3-1所示。
3.2.2 外设流程图
作为人机界面的键盘和1602字符显示屏通过AT89S52来控制。能识别键盘上按下键的信号;可充分提高CPU的工作效率。AT89S52接口方便, 由它构成的标准键盘/显示器接口在微机应用系统中使用越来越广泛。键盘和LED的软件流程图如图3-2所示。
3.2.3 AD9850流程图
由于没有对信号进行调幅 (AM) 、调频 (FM) , 对高频载波进行调幅或调频。因此用一片AT89S52来控制AD9850, 接口已经足够, 所以没利用8155扩展I/O口。如图3-3。
4 结束语
本次设计主要涉及到电路设计、硬件电路的调试以及程序的调试等过程, 需要对51系列单片机、DDS、信号发生器系统设计的了解, 分析电路等方面的能力, 并且需要对AT89C51、AD9850、等所用芯片有所了解。为了发挥其更大的功能, 还需深入研究。
摘要：本系统以51单片机为控制核心, 由正弦信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9850产生1Hz-35MHz正弦信号, 1Hz-1MHz方波, 输出方波频率为500KHz时上升沿和下降沿有点失真, 幅度为5V, 最高输出正弦波频率为35MHz无失真, 幅度为0.6V。测试信号发生模块产生的1kHz正弦信号。
关键词：直接数字频率合成,AD9850
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉:华中理工大学出版社, 1994:89117.
[2]李友平.直接数字频率合成器 (DDS) 的原理与设计[J].电声技术, 1992 (11) .