鄧 騰，吳校生，周曉玲，陳文元，張衛(wèi)平，崔 峰，劉 武

(微米/納米加工技術(shù)重點實驗室，上海交通大學(xué)微納科學(xué)技術(shù)研究院，上海200240)

在各類信號發(fā)生器中，我們通常需要產(chǎn)生高穩(wěn)定性的頻率信號輸出，一般是通過頻率合成的方式來完成的，頻率合成是指從一個高穩(wěn)定的參考頻率，經(jīng)過各種技術(shù)處理形成一系列穩(wěn)定的頻率輸出［5］。傳統(tǒng)的直接頻率合成器體積大、硬件成本高;鎖相環(huán)路法頻率分辨率低、頻率跳變速度慢［2］。直接數(shù)字頻率合成(DDS)是現(xiàn)在發(fā)展起來的一種新的頻率合成技術(shù)。DDS的優(yōu)點是:相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時間極短，頻率分辨率很高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于繼承，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控［8，10］，因此能夠和計算機緊密地結(jié)合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。本文以TI公司的TMS320F2812型DSP為核心處理器，對DDS芯片AD9833進行程控從而實現(xiàn)合成頻率的輸出。利用DSP多引腳輸出的特點，實現(xiàn)對多塊DDS芯片的程控，通過軟件編譯，實現(xiàn)相位嚴(yán)格可調(diào)的多路信號產(chǎn)生［6，9］。傳統(tǒng)的多路固定相位差的信號發(fā)生主要是通過RC移相電路實現(xiàn)的，這樣產(chǎn)生的信號容易幅值發(fā)生衰減，而且相位差不夠精確，而且相位差的調(diào)整改變相對復(fù)雜。本文中采用的程序控制產(chǎn)生移相信號能夠得到相位差穩(wěn)定且嚴(yán)格可調(diào)的無衰減信號［2，4］。

1 系統(tǒng)基本原理

1.1 DDS工作原理

可編程DDS的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個N bit相位寄存器組成，N一般為24～32，AD9833為28 bit的相位累加器。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅值信息，每一個地址對應(yīng)0°到360°范圍的一個相位點［1］。

AD9833中使用的DDS技術(shù)是從連續(xù)信號的相位出發(fā)，將一個正弦信號取樣、量化、編碼，形成正弦查詢表。合成是改變相位增益，由于相位增益不同，一個周期內(nèi)采樣點數(shù)就不同，產(chǎn)生的正弦信號頻率也不同，達到頻率合成的效果。正弦波信號是非線性的，而其相位是線性的，因此每隔Δt(時間周期)有對應(yīng)的相位變化。Δt，即:

所以合成的頻率信號為:

其中Δt=1/fm。由式(2)可以看出改變ΔP可以得到不同的f0值。

DDS芯片AD9833原理框圖如圖1。

圖1 DDS原理框圖

圖1所示的是DDS芯片工作的原理框圖，進行的是DA數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過相位累加器反映到正弦查詢表上，正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅值信息，每一個地址對應(yīng)正弦波0°～360°范圍內(nèi)的一個相位點，查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅值信號，然后驅(qū)動DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，實現(xiàn)控制頻率、相位都可調(diào)的正弦波。

其中相位累加器為28 bit的，取其高14 bit作為讀取正弦波寄存器地址，對應(yīng)波形相位變化為:

因此，合成頻率與頻率控制字K直接相關(guān):

設(shè)定參考頻率，K取值范圍為1＜K＜228。

1.2 DDS多路相位控制原理

目前，單片芯片能夠多通道輸出信號的芯片很少，而且價格昂貴，因此，可以用多片單通道DDS產(chǎn)生多路信號，難點是如何控制多路信號的同步與相位差。傳統(tǒng)控制多路信號移相的方法是通過RC移相電路來實現(xiàn)，這樣的移相方法產(chǎn)生的多路信號容易發(fā)生幅值不穩(wěn)定以及信號衰減的問題。一般采用的低通RC移相電路，傳遞函數(shù)為:

我們所需要的是兩路相位差90°的信號，而RC移相電路在90°相位移動時幅值的衰減幾乎達到了無限。幅值在理論上可以通過放大電路放大，但實際上過小的幅值其抗干擾能力將會大幅變小，使波形劇烈失真;即使幅值可以經(jīng)過后級補償，但是此電路永遠達不到90°的相移，只能無限接近，使得電路的性能指標(biāo)下降。傳統(tǒng)的解決辦法是采用多級RC移相電路來實現(xiàn)，但是這樣會使得電路趨于復(fù)雜而產(chǎn)生更多的失真與干擾等問題。［2，4］

本文中實現(xiàn)多路信號的相位移動的辦法是直接使用DSP控制多塊DDS的控制字來實現(xiàn)。產(chǎn)生多路固定的相位差信號同樣需要注意同步問題。主要影響因素有:

(1)所有DDS時鐘源之間相位差要小于最小限度，因此在PCB布局時使時鐘源達到各路DDS的走線等長，以保證參考時鐘到達DDS系統(tǒng)具有相同的時鐘沿。

(2)在DDS系統(tǒng)上電之后傳送數(shù)據(jù)之前應(yīng)產(chǎn)生復(fù)位信號，它能使DAC輸出處于一個相同的狀態(tài)，成為一個共同的參考點，從而使DDS同步。

在兩路DDS能夠同步輸出的基礎(chǔ)上，通過控制DDS芯片接受相同的時鐘沿信號，即相同的MCLK信號與FSYNC使能信號脈沖，并改變DDS芯片的相位控制字，就可以輕松實現(xiàn)多路DDS信號的相位嚴(yán)格控制。［5-6］

2 多路固定相位差DDS信號發(fā)生器的硬件設(shè)計

多路相位嚴(yán)格可調(diào)DDS信號發(fā)生器包括控制核心和DDS信號產(chǎn)生模塊。本設(shè)計采用TMS320F2812作為控制核心，通過TMS320F2812的GPIO口來傳遞控制字和工作時序。以兩路相位差90°的DDS信號為例，DDS信號產(chǎn)生模塊由兩片AD9833實現(xiàn)。本系統(tǒng)的硬件電路和外圍接口如下圖2所示。

圖2所示為利用DSP輸出控制字控制兩片AD9833芯片產(chǎn)生相位差嚴(yán)格90°的信號發(fā)生器電路，兩路信號發(fā)生之后分別經(jīng)過一個一階高通濾波器，完成基本的濾波，調(diào)節(jié)偏置。兩片AD9833芯片共用一個晶振信號，信號頻率為 25 MHz。［3，6］

兩片AD9833共用參考時鐘頻率SCLK，對應(yīng)F2812的 GPIOA0口;頻率更新信號 FSYNC，對應(yīng)GPIOA2口;外部參考時鐘頻率MCLK，連接到晶振信號輸出。而F2812的GPIOA1口和GPIOA3口分別控制兩片AD9833的控制字加載，實現(xiàn)串行加載，可以分別實現(xiàn)不同頻率和不同相位的控制。通過程序控制GPIO口模擬SCLK與FSYNC的時序信號，并發(fā)送對應(yīng)控制字信號結(jié)合時序信號對AD9833進行控制，實現(xiàn)VOUT端口波形良好的正弦波信號輸出［7］。

圖2 多路相位嚴(yán)格可調(diào)DDS信號發(fā)生器硬件電路設(shè)計

3 多路固定相位差DDS信號發(fā)生器的軟件設(shè)計

AD9833有16 bit控制字，其中兩位是用于選擇工作方式，AD9833有一個28 bit的相位累加器，2個28 bit的頻率寄存器FREQ0和FREQ1用于設(shè)定K值，2個12 bit的相位寄存器用于設(shè)定相位值。16 bit控制字前兩位用于選擇工作模式，00為寫入控制字，01為寫入14 bit頻率字頻率寄存器FREQ0，10為寫入14 bit頻率寄存器FREQ1，11為寫入相位控制字12 bit到相位寄存器PHASE0和PHASE1。

DDS輸出正弦波頻率計算公式為:

式(6)中:fout為輸出正弦波頻率，ΔPHASE為頻率控制字，CLKIN為系統(tǒng)時鐘源頻率，N為相位累加器位數(shù)。因此DDS的頻率分辨率為:

AD9833的相位累加器位數(shù)N=28采用25 MHz的系統(tǒng)時鐘源頻率，輸出信號頻率為2 MHz，根據(jù)式(6)計算得到的AD9833的頻率控制字為:MSB高14 bit 0x4083，LSB 低 14 bit 0x45fc。AD9833擁有12 bit的相位寄存器，相位調(diào)整精度為0.087 9°，相位精度很高。［7］

下圖為設(shè)計核心AD9833的控制字輸入部分的程序流程框圖，整個系統(tǒng)的軟件部分由C語言和匯編語言混合編寫，在完成初始化、顯示等功能后，根據(jù)AD9833的控制字方式，通過TMS320F2812按照AD9833的時序控制字寫入到AD9833的內(nèi)部寄存器中，完成頻率信號合成。

圖3所示為AD9833芯片的控制字寫入流程圖，由于控制字數(shù)據(jù)寫入是串行接口，DDS芯片讀取高低電平信號組合成控制字，確定工作模式，選擇寫入頻率控制字的模式，是連續(xù)寫入28 bit控制字或者分別寫入14 bit頻率控制字，抑或選擇寫入12 bit的相位控制字。而AD9833的數(shù)據(jù)寫入是同步信號，所以在控制字發(fā)送到SDATA口的同時，SCLK表現(xiàn)為下降沿，而FSYNC接口必須為低電平信號，這樣才能實現(xiàn)控制字的完整寫入，從而實現(xiàn)針對AD9833 芯片的軟件控制。［12］

圖3 AD9833控制字寫入流程圖

GPIO口控制輸入AD9833的控制字，由于共用SCLK和FSYNC，能夠?qū)崿F(xiàn)兩片AD9833的頻率控制字和相位控制字同時輸入，并同時產(chǎn)生頻率信號，通過給給AD9833輸入相同的頻率控制字和相位差90°的相位控制字，實現(xiàn)兩路相位嚴(yán)格可調(diào)的頻率信號的產(chǎn)生。［6，11］

4 實驗結(jié)果

本文采用的DDS芯片AD9833和DSP控制器TMS320F2812成功實現(xiàn)多路相位嚴(yán)格可調(diào)的信號發(fā)生器，可以輸出多路相位差嚴(yán)格可調(diào)、頻率相同或可調(diào)的正弦波信號。多路信號也可獨立使用，且信號穩(wěn)定，頻率分辨率高。由于芯片接口為串行接口，占用DSP的GPIO口比較少，因此可以進行大量芯片的同步信號或固定相位差信號的產(chǎn)生。

由于90°和180°相位差對比比較強烈，因此實驗結(jié)果采用90°相位差和180°相位差進行對比，AD9833產(chǎn)生的頻率范圍比較小，因此主要采用200 kHz的頻率信號說明信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

用示波器顯示DDS系統(tǒng)生成的多路相位嚴(yán)格可調(diào)信號，如圖4所示，兩路頻率均為200 kHz，相位差為90°的信號。圖5所示兩路頻率200 kHz，相位差為180°的信號。

圖4 頻率200 kHz，相位差90°

圖5 頻率200 kHz，相位差180°

圖4所示為200 kHz頻率的兩路相位差90°的信號，通過控制字的調(diào)整可以得到180°相位差的兩路信號，如圖5所示。90°相位差頻率字為0xC000和 0xC400;180°相位差頻率字為 0xC000和0xC8000。由上面兩張圖片可以看出由信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號頻率穩(wěn)定，頻率準(zhǔn)確性很高，而相位差也很準(zhǔn)確。

圖6、圖7采用的是2 MHz的頻率信號進行對比，采用的相位差也是90°和180°進行對比說明。對比展示信號發(fā)生器產(chǎn)生的多路信號相位嚴(yán)格可調(diào)以及相位差穩(wěn)定、精確的特性。

圖6 頻率200 kHz，相位差90°

圖7 頻率2 MHz，相位差180°

圖6所示為頻率2 MHz的相位差90°的兩路信號，圖7所示為頻率2 MHz相位差180°的兩路信號。由圖6和圖7可以看出本文所訴的信號發(fā)生器產(chǎn)生的兩路信號相位穩(wěn)定性和精確性。而且改變信號的頻率和相位差只需要改變程序中輸入控制字的數(shù)據(jù)即可，相比硬件電路而言更為簡單方便，適應(yīng)性強。因此本電路實現(xiàn)的信號發(fā)生器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)相位差嚴(yán)格可調(diào)，還能實現(xiàn)頻率的調(diào)整?？梢詽M足各類信號源的需求。

5 結(jié)語

本文介紹了一種基于 DDS芯片 AD9833和TMS320F2812為控制器的電磁懸浮微馬達多路固定相位差DDS信號發(fā)生器的設(shè)計方法。利用多片DDS芯片AD9833來產(chǎn)生多路信號，并控制使其得到固定相位差，且相位差可調(diào)。多路信號可以協(xié)調(diào)使用產(chǎn)生特定的相位差或者實現(xiàn)同步，也可單獨使用，且均可做到相位、頻率可調(diào)。采用串行加載方式，可實現(xiàn)大規(guī)模多路信號發(fā)生器。

該信號發(fā)生器可輸出多路頻率和相位可調(diào)的正弦波和方波，實驗表明波形頻率穩(wěn)定性好，低頻準(zhǔn)確度高，相位分辨率高，相位差精準(zhǔn)?？梢詮V泛應(yīng)用于科研工作及實際應(yīng)用中。

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