直接數(shù)字頻率合成的實(shí)現(xiàn)

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[摘要]以TI公司生產(chǎn)的處理器TMS320VC5402以及ADI公司生產(chǎn)的DDS芯片AD9835,設(shè)計(jì)完成了基于處理器TMS320VC5402的直接數(shù)字頻率合成器,實(shí)現(xiàn)了0-250MHz正弦波產(chǎn)生。

[關(guān)鍵詞]直接數(shù)字頻率合成數(shù)字信號(hào)處理器AD9835芯片

1概述

七十年頭展現(xiàn)了直接數(shù)字頻率合成DDS(DirectDigitalFrequencySynthesis),它的展現(xiàn)標(biāo)志著頻率合成技術(shù)邁進(jìn)了第三代。在國(guó)內(nèi),雖然對(duì)DDS的研究起步較晚,也還不具備生產(chǎn)DDS的才能,但是DDS在電臺(tái)、數(shù)據(jù)通訊、雷達(dá)、航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用還是屢見報(bào)道。現(xiàn)代通信與電子系統(tǒng)的進(jìn)展,對(duì)頻率合成技術(shù)在多天性能方面提出了更高的要求,也使得頻率合成技術(shù)朝著集成化、程控化、數(shù)字化、小型化、頻率范圍的寬帶化、頻率間隔的微細(xì)化、頻率轉(zhuǎn)化的高速化這樣一個(gè)方向進(jìn)展。這也必將使得頻率合成技術(shù)在信號(hào)合成、儀器儀表、現(xiàn)代通信、軟件無線電等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

2直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)

直接數(shù)字頻率合成器(DirectDigitalSynthesizer)是從相位啟程直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)。一個(gè)數(shù)字頻率合成器由相位累加器、加法器、波形存儲(chǔ)ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)構(gòu)成。DDS的原理框圖如1所示:

圖1DDS的原理框圖

其中K為頻率操縱字、P為相位操縱字、fc為參考時(shí)鐘頻率、N為相位累加器的字長(zhǎng)、D為ROM數(shù)據(jù)位及D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)。

對(duì)每一個(gè)時(shí)鐘脈沖fc,N位加法器將頻率操縱數(shù)據(jù)K與累加寄放器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加,把相加后的結(jié)果送至累加寄放器的輸入端。累加寄放器一方面將上一時(shí)鐘周期作用后所產(chǎn)生的新的相位數(shù)據(jù)反應(yīng)到加法器的輸入端,以使加法器在下一時(shí)鐘的作用下持續(xù)與頻率操縱數(shù)據(jù)K相加;另一方面將這個(gè)輸出的N位二進(jìn)制碼與相位操縱字P,波形操縱字W相加后作為取樣地址值送入幅度/相位轉(zhuǎn)換電路(即圖1中的波形存儲(chǔ)器ROM),幅度/相位轉(zhuǎn)換電路根據(jù)這個(gè)地址值輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。結(jié)果經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換和低通濾波器將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需要的模擬波形。

在DDS的波形存儲(chǔ)器中存入正弦波形及方波、三角波、鋸齒波等大量非正弦波形數(shù)據(jù),然后通過手控或用計(jì)算機(jī)編程對(duì)這些數(shù)據(jù)舉行操縱,就可以任意變更輸出信號(hào)的波形。利用DDS具有的快速頻率轉(zhuǎn)換、連續(xù)相位變換、精確的細(xì)調(diào)步進(jìn)的特點(diǎn),將其與簡(jiǎn)樸電路相結(jié)合就構(gòu)成精確模擬仿真各種信號(hào)的的最正確方式和手段。這是其它頻率合成方法不能與之相比的。例如它可以模擬各種各樣的神經(jīng)脈沖之類的波形,重現(xiàn)由數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)捕獲的波形。

DDS也是一種夢(mèng)想的調(diào)制器,由于合成信號(hào)的三個(gè)參量:頻率、相位和幅度均可由數(shù)字信號(hào)精確操縱,因此DDS可以通過預(yù)置相位累加器的初始值來精確地操縱合成信號(hào)的相位,從而達(dá)成調(diào)制的目的?，F(xiàn)代通信技術(shù)中調(diào)制方式越來越多,BPSK,QPSK,MSK都需要對(duì)載波舉行精確的相位操縱。而DDS的合成信號(hào)的相位精度由相位累加器的位數(shù)抉擇。一個(gè)32位的相位累加器可產(chǎn)生43億個(gè)離散的相位電平,而相位精度可操縱在8×10-3度的范圍內(nèi),因此,在轉(zhuǎn)換頻率時(shí),只要通過預(yù)置相位累加器的初始值,即可精確地操縱合成信號(hào)的相位,很輕易實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。

DDS能有效地實(shí)現(xiàn)頻率精調(diào),它可以在大量鎖相環(huán)(PLL)設(shè)計(jì)中代替多重環(huán)路。在一個(gè)PLL中保持適當(dāng)?shù)姆诸l比關(guān)系,可以將DDS的高頻率辨識(shí)率及快速轉(zhuǎn)換時(shí)間特性與鎖相環(huán)路的輸出頻率高、寄生噪聲和雜波低的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來,從而實(shí)現(xiàn)更為夢(mèng)想的DDS+PLL混合式頻率合成技術(shù)。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1DSP及DDS芯片介紹

本次設(shè)計(jì)采用DSP操縱DDS實(shí)現(xiàn)頻率合成器。使用TI公司生產(chǎn)的DSP處理器TMS320VC5402和ADI公司生產(chǎn)的DDS芯片AD9835,下面分別對(duì)這兩個(gè)芯片做簡(jiǎn)樸介紹。

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后舉行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器,其處理速度比最快的通用CPU還快10-50倍。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代,DSP己成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的根基器件,被稱為信息社會(huì)革命的旗手。

VC5402是TI公司1999年10月推出性價(jià)對(duì)比高的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,VC5402具有先進(jìn)的提升型哈佛布局,操作速率可達(dá)100MIPS;多總線布局。VC5402的存儲(chǔ)器的配置對(duì)比生動(dòng),主要由模式寄放器PMST里的OVLY、DROM和MP/MC位舉行配置。其中,OVLY和DROM上電復(fù)位均為0,而MP/MC抉擇配置DSP為微處理器/微機(jī)模式。上電后采樣MP/MC引腳信號(hào),保存在MP/MC位,可以在DSP運(yùn)行中由軟件配置該位。

AD9835是AD公司生產(chǎn)的一款CMOS工藝完備的DDS芯片,5V供電。它的最高時(shí)鐘頻率可達(dá)50MHZ。AD9835主要由數(shù)控振蕩器(NCO)和相位調(diào)制器、正弦查詢表以及一個(gè)10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)組成。其中數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器片面包含兩個(gè)32位的頻率寄放器、一個(gè)32位的相位累加器和四個(gè)12位的相位寄放器。

3.2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示:

圖2系統(tǒng)硬件框圖選用的FLASH存儲(chǔ)器為AM29LV160D。由DSP芯片通過CPLD對(duì)FLASH舉行規(guī)律操縱。這樣可以使系統(tǒng)的存儲(chǔ)器配置更加生動(dòng)。由于外擴(kuò)了FLASH,DSP要對(duì)FLASH舉行正常讀寫的規(guī)律時(shí)序操縱就由CPLD來實(shí)現(xiàn),由于CPLD可在線編程,使得日后系統(tǒng)的規(guī)律的修改也分外便當(dāng),這比用傳統(tǒng)的組合規(guī)律電路設(shè)計(jì)要生動(dòng)便當(dāng),只需要的是將DSP對(duì)FLASH讀寫時(shí)序分析領(lǐng)會(huì)。在此采用的是Altera公司的EPM7064S來完成以上功能。

電源芯片采用TI公司生產(chǎn)的TPS767D318,該芯片是雙電源輸出,每個(gè)電源輸出都有單獨(dú)的復(fù)位和輸出訪能操縱。它采用TSSOP封裝,固定兩路電壓輸出,第一路輸出1.8V,其次路輸出電壓為3.3V。該芯片同時(shí)還供給兩路復(fù)位信號(hào),該系統(tǒng)中只使用了其次路復(fù)位信號(hào),芯片的22引腳輸出低電平復(fù)位信號(hào),復(fù)位后需為高電平,上拉為3.3V。

數(shù)字解調(diào)測(cè)驗(yàn)時(shí)采用的信號(hào)是已調(diào)模擬信號(hào),模擬信號(hào)不能直接送入DSP中,要先由模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后,再送入DSP中舉行數(shù)字解調(diào)和基帶處理。模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用了AD公司的AD轉(zhuǎn)換芯片AD7822。AD7822是20腳的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,最大采樣率可以達(dá)成2MSPS。AD7822以并行的方式和DSP相連。數(shù)模轉(zhuǎn)換(DA)模塊的功能就是完成數(shù)字信號(hào)的模擬化,在舉行數(shù)字調(diào)制測(cè)驗(yàn)時(shí)通過DA模塊把DSP輸出的已調(diào)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),可以為解調(diào)測(cè)驗(yàn)供給一個(gè)已調(diào)的模擬信號(hào),也可以通過示波器觀測(cè)調(diào)制信號(hào)波形。該模塊選用了AD公司的芯片AD7303。

4總結(jié)

以TI公司生產(chǎn)的處理器T