《电子技术应用》

基于DDS技术的杂散抑制和正弦信号源的实现

2017年电子技术应用第12期
亢 凯,阎渊海,胡泽民,施洪生
(北京交通大学 国家能源主动配电网技术研发中心,北京100044)
摘要: 依据直接数字频率合成技术(DDS)工作原理,在simulink软件搭建系统仿真模型输出正弦信号,在此基础上实现了两种压缩ROM查询表数据量的方法来抑制杂散波,并把这两种压缩方法相结合使得压缩比达到了1:42.67,有效减少了查询表的规模,降低了对DDS资源的占用。另一方面提出了一种基于DDS芯片AD9851和AT89S52单片机的正弦信号源设计方案,给出了该方案的相关硬件接口和软件程序,经过对实际PCB板的测试,实现了1 Hz~50 MHz的正弦信号输出,该正弦信号源可应用在不同的高频领域。

Spurious suppression and realization of sine signal source based on DDS technology

Kang Kai,Yan Yuanhai,Hu Zemin,Shi Hongsheng
(National Active Distribution Network Technology Research Center,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)
Abstract: According to the operating principle of direct digital frequency synthesis(DDS), this paper builds system simulation models to output sinusoidal signal in simulink software. In this model, two different methods of compressing ROM query table data volume are used to suppress spurious waves and the combination of these two compression methods makes the compression ratio down to 1: 42.67, effectively reducing the size of the query table and the occupation of DDS resources. On the other hand, based on DDS chip AD9851 and AT89S52 single chip microcomputer,this paper proposes a design scheme of sinusoidal signal source and also presents the relevant hardware interface and software program. After the test on the actual PCB board, we have successfully output the 1 Hz~50 MHz sine signal and the source of which can be used in different high frequency fields.

亢  凯,阎渊海,胡泽民,施洪生

(北京交通大学 国家能源主动配电网技术研发中心,北京100044)



    中图分类号: TN742.1

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171974


    中文引用格式: 亢凯,阎渊海,胡泽民,等. 基于DDS技术的杂散抑制和正弦信号源的实现[J].电子技术应用,2017,43(12):9-12.

    英文引用格式: Kang Kai,Yan Yuanhai,Hu Zemin,et al. Spurious suppression and realization of sine signal source based on DDS technology[J].Application of Electronic Technique,2017,43(12):9-12.

0 引言

    在设备检测和电子测量技术中,常常需要一个高精度、频率可变的信号源,信号源的稳定往往关系到这些系统工作的性能。如在磨粒检测传感器中,需要对激励线圈施加以高频正弦信号,据理论分析和仿真验证,在一定的频率下,检测灵敏度随激励频率的增大而增大[1]。相比较其他信号合成技术,直接数字频率合成(Direct Digital frequency Synthesis,DDS)具有频率转换时间短,频率分辨率高,可编程和全数字化[2]

    文献[3]基于simulink软件搭建了DDS仿真模型,对DDS理想数学模型和有相位截断误差模型进行了分析,但文中并没有提出方法减少杂散分量。文献[4]通过AVR单片机和芯片AD9835设计出了一种高精度高频率的正弦波交流电源,但其变频范围太窄,仅为100 kHz~300 kHz,不能够满足对兆赫兹频率源的需求。

    为弥补上述不足,论文首先通过simulink软件搭建DDS仿真系统模型,通过压缩ROM查询表的数据量用以增加其位数,减少DDS杂散信号的输出。然后利用DDS芯片AD9851和微处理AT89S52设计出一种正弦信号源,实现了1 Hz~50 MHz的正弦波输出。

1 DDS工作原理

    DDS是一种将数字处理方法引入频率合成的新技术,把一系列数字量信号通过数/模转换成模拟量信号。基本原理框图如图1(a)所示,主要由相位累加器、ROM查询表、D/A转换器和低通滤波器构成。

    在参考时钟Fclk的作用下,N位累加器每接收到一次时钟脉冲对频率控制字M进行一次累加,把累加后的结果送至ROM查询表中,查询表事先存入了2N个相位-幅度转换数据。不同的频率控制字M会引起累加器相位增量的不同,这样通过查询表就得到不同频率的数字正弦序列,经过D/A转换器后,输出阶梯型正弦信号,最后经过滤波器模块滤除高频分量并进行平滑后,得到模拟的正弦波信号[5]。其中各个模块的输出波形如图1(b)所示。

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    据上述工作原理和DDS系统的几项参数,可以得到输出信号的频率和频率分辨率分别为:

     wdz1-gs1.gif

2 DDS仿真模型的建立

    DDS仿真模型的搭建是在软件simulink中完成的,它可以提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境[6]。据上述对DDS基本工作原理的分析,利用simulink中已有或自定义的功能模块来搭建DDS的仿真模型。

2.1 DDS仿真模型图

    DDS仿真模型框架如图2所示,其中参考时钟由Pulse Generator提供,频率控制字由Constant模块给出。N位累加器由Triggered Subsystem模块和内部相关程序构成。ROM查询表模块由Look-up table模块构成,里面存储了正弦相位值到幅度值之间的转换表。由于查询表模块已经集成了D/A转换器,因此该模块输出的信号就是模拟量。低通滤波器由Analog filter design构成,对上一级的输出信号进行平滑处理和滤波。余下模块是一些信号显示和信号处理模块。

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    图3是DDS仿真模型各个节点的输出波形,它与原理框图各个节点的输出波形一致。此模型中,时钟参考频率为400 kHz,累加器的位数为16位,频率控制字给定的是3 277,则根据式(1)计算理论输出的正弦信号频率为20 kHz。图3中实际输出频率为1/(0.5×10-4 s)=20 kHz,从而验证了该模型的正确性,修改相应的频率控制字实现指定频率信号的输出。

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2.2 基于对称性的压缩方法

    由DDS原理可知,ROM查询表存储的数据越详细,输出的数字正弦序列越精确,从而得到的正弦信号杂散越小[7],但这会使存储表的数据量过多。既要减少查询表对DDS资源的占用同时尽量避免影响正弦序列输出的精度,对查询表存储数据量进行压缩的方法就显得尤为重要。而每当ROM查询表的数据被压缩一倍,就相当于减少了一位截断位数,杂散抑制便可得到6 dB的提高[8]

    利用正弦波的对称性将一个周期(0,2π)的波形由1/4周期(0,π/2)的波形变换得到,将ROM查询表的数据量可以缩减至1/4。图4(a)中的1/4 压缩模块就是根据正弦波的对称性进行数据压缩。

    可以从图4(b)中看出经过压缩模块后,其输出波形的精度并没有受到影响。原先ROM查询表存储了216个数据,经过该模块后,只需存储214个数据就可以达到相同的结果。因此原先的16位累加器便可以等效存储218个数据。

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2.3 基于Sunderland算法的压缩方法

    D.A.Sunderland提出的粗细分割算法原理是基于三角函数的近似算法,把DDS中相位累加器的输出分为三部分(X,Y和Z),利用三角函数展开可得:

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    用查询表分别存储sin(X+Y)和cosXsinZ的值,然后将两个查询表的结果相加,得到的值就是近似相位累加器值所对应的正弦信号幅度。

    图5中的Sunderland压缩模块为该数据压缩方法的具体实现框图,原先ROM查询表存储数据量为216,压缩后数据量为26×24+26×26=5 120,其压缩比为1:12.8。通过仿真分析对比,存储数据量的减少,并没有影响到输出正弦信号的精度。

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2.4 两种压缩方法相结合

    把上述两种压缩方法结合起来。首先由正弦信号对称性,将16位的ROM查询表的位数压缩至14位,然后由Sunderland算法采用(5,4,5)的分割形式,查询表数据量为25×24+25×25=1 536,压缩比为1:42.67。图6为1/4压缩模块和Sunderland压缩模块相结合的DDS仿真模型图。

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    经过压缩后,相同的数据量降低了所占用的查询表位数,使得相同位的查询表可以存储更多的数据,而数据量越详细,杂散信号越可以得到有效抑制。

3 正弦信号源的实现

    系统主要由微处理器AT89S52和DDS集成芯片AD9851构成,其中AT89S52输出相应的端口初始化和控制字,AD9851根据工作时序图接收相应的控制字,输出正弦信号。

3.1 AD9851芯片介绍

    AD9851芯片采用先进的DDS技术,可以实现全数字编程的频率合成,可接收32位的频率控制字输入,其内部含有一个6倍频的REFCLK倍频器[9]

3.2 系统硬件设计模块

    产生指定频率的正弦信号,需要通过微处理器向DDS芯片输入相应的频率控制字,并需要对其端口进行初始化。其硬件设计框图如图7所示,其中AT89S52的P2.5控制频率更新控制信号(FQ-UD),P2.6控制写装入信号(W-CLK),P2.7控制复位信号(RESET)。将微处理的引脚P0.0~P0.7作为频率、相位控制字和工作方式控制字的输入口,连接到AD9851的D0~D7。在AD9851外接30 MHz有源晶振产生180 MHz内部基准时钟。

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    DDS信号的合成是数字量化产生的阶梯型正弦波,杂散寄生分量大部分集中在高频段,因此合成的信号在输出之前需要通过低通滤波器。考虑到设计的频率源有一定的带载能力,采用巴氏有源低通滤波器,滤波之后进行功率放大。

3.3 系统软件设计模块

    AD9851接收数据的方式有并行和串行两种方式。并行比串行传输的速度要快,设计中选用并行工作方式,其工作时序图如图8所示。

wdz1-t8.gif

    由AD9851的并行工作时序图,在微处理器中相关程序的实现如下:

    M=frequence*x;

    w=w0;//写w0数据

    P0=w;    

    ad9851_w_clk=1;

    ad9851_w_clk=0; 

    w=(M>>=0); //写w4数据

    ad9851_fq_up=1;//移入使能

    ad9851_fq_up=0;

    调用程序如下,只需在程序中写入需要输出的频率,程序会自动计算出相应的控制字,按照并行时序图依次将频率控制字M送入到AD9851的D0~D7。

    ad9851_wr_parrel(0x01,100);

    其中0x01含有8位数据,5位相位控制字、6倍频使能控制、电源休眠和逻辑0。设计中需用到六倍频模式,其他位选择默认即可,故将此八位设置为0x01,送入到w0中。程序中100为输出100 Hz的正弦信号,进行相关计算后得到一个32位的频率控制字,依次送入到w1、w2、w3和w4中。

3.4 系统测试结果

    利用altium designer软件设计相应的电路板如图9所示,主要由微处理器模块、DDS模块、滤波模块和功率放大模块构成。

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    图10为输出频率为2 MHz的信号波形,其波形比较精确和稳定,频谱图也比较干净,在指定频率处频谱增益最大,在其他频率处有不同程度的衰减。

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    经过对PCB板的测试,可以输出1 Hz~50 MHz的正弦信号,当频率大于50 MHz时,波形已有明显的失真,频谱的各次谐波逐渐增多。

4 结论

    通过在simulink中搭建DDS仿真模型,对DDS的工作原理进行验证,仿真与理论分析的结果相一致,修改频率控制字,可以得到指定频率的正弦信号。为了降低DDS的杂散,分别利用正弦波的对称性和Sunderland结合算法对ROM查询表进行压缩,最终压缩比为1:46.67,使得同样的查询表可以存储更多的数据,间接提高了查询表的位数,有效地抑制了DDS杂散信号的输出。

    基于微处理器AT89S52和DDS芯片AD9851设计出了一种实现高频正弦信号的方法。在相关软件中绘制原理图和PCB图,制成实际PCB板,通过测试实现了1 Hz~50 MHz的正弦信号输出,其频率稳定性较高,并且该系统的电路结构简单,控制方便。可用做于模拟传感器线圈的激励部分,同时也能够在不同的领域用作高频信号源。

参考文献

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