電子設計《微計算機信息》（嵌入式與ＳＯＣ）２００９年第２５卷第２．２期文章編號：１００８－０５７０（２００９）０２－２－０２５２－０３基于ＤＤＳ芯片的信號發生及調制器的設計ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｉｇｎａｌＧｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄＭｏｄｕｌａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎＤＤＳＣｈｉｐ（上海交通大學）閻飛顏德田ＹＡＮＦｅｉＹＡＮＤｅ－ｔｉａｎ摘要：本文首先介紹了ＤＤＳ（直接數字合成）的基本原理？及ＡＤＴ００８芯片的組成結構和工作原理。之后介紹了基于ＤＤＳ芯片ＡＤＴ００８的信號發生及調制器的設計思路，及其與工業控制計算機ＩＳＡ總線的接口電路的設計，并分析了ＱＡＭ、ＡＭ、ＦＳＫ等幾種通信領域中最常用的信號調制方式在該信號發生及調制器上的具體實現方法。關鍵詞：ＤＤＳ；ＡＤ７００８；信號發生及調制器：ＩＳＡ中圖分類號：ＴＰ２１２文獻標識碼：ＢＡｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＤＤＳ（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ），ａｎｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｎｄｒｕｎｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＡＤ７００８．ＴｈｅｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｉｇｎａｌｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄｍｏｄｕｌａｔｏｒｂａｓｅｄｏｎＡＤＴ００８，ａｌｏｎｇｗｉｔｈｉｔｓｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔｗｉｔｈ１ＳＡｂｕｓｏｆｉｎｄｕｓｔｒｙｃｏｎｔｒｏｌｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ａｔｌａｓｔ，ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｏｆｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇＱＡＭ，ＡＭ。ＦＳＫＯｉｌｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｓｉｇｎａｌｇｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄｍｏｄｕｌａｔｏｒａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＤＳ；ＡＤ７００８；ＳｉｇｎａｌＧｅｎｅｒａｔｏｒａｎｄＭｏｄｕｌａｔｏｒ；ＩＳＡ引言在一些導航、檢測儀器儀表、通信系統中，往往需要頻率、幅度、相位都能由計算機自動控制且精度要求較高的信號源，這往往是這些系統實現高性能的基礎與關鍵。如今高精度的信號源可以通過一種叫做“直接數字合成”的技術來實現。直接數字合成（ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ），簡稱ＤＤＳ，是一項較新的數字化頻率合成技術。與傳統模擬的頻率合成技術相比，ＤＤＳ技術具有：成本低，功耗低頻率分辨率高．頻率切換速度快，頻率轉換時輸出相位連續，幅度、頻率和相位均可由程序精確控制等優點。因而廣泛應用在信號發生器、通信系統、檢測與電子儀器等領域，是一項關鍵的數字化技術。１ＤＤＳ的基本原理ＤＤＳ芯片一般由頻率寄存器、相位累加器、正弦函數相位一幅值轉換表和數模轉換器ｆＤＡｃｌ組成，如圖ｌ所示。陬鬲丑姬墮陋型怔至忙Ｉ器卸ｌ、圖１ＤＤＳ的基本組成結構通常正弦信號是以幅度隨時問變化的關系式來表示的：口（ｆ）２ｓｉｎ（ｔａｔ）或ａ（ｔ）＝ｃｏｓ（ａｔ），它們之間的關系是非線性的，因而在應用上很不方便。然而，當信號的頻率一定時．相位與時間的關系卻是線性的。在單位時間內，相位角產生固定的增量，并且呈周期性變化，在～個周期內它的變化范嗣是０－２７ｔ，變化的速率，即角頻率∞與信號的頻率有關，關系為∞＝２萬，。給定一個固定的時間ｄｔ，相位角的增量則為△≯＝＂ｄｔ。所以ｍ＝２９ｆ＝ａ?／ａｔ，得ｆ＝Ａ≯／（２Ｊｒ?ｄｒ），這就是固定時間衍內相位的增量△妒與信號閻飛：碩士頻率廠的對應關系。ＤＤＳ便是利用這—關系通過改變單位時間內相位增量△妒，來調控產生頻率為的正弦信號／。在ＤＤＳ實際應用中，這卻靛懶拍偽ＤＤＳ芯片工伯翔慚周期，即Ｉ／允。（允ｏｃ。為ＤＤＳ工作的參考頻率，一般由高穩定度的晶體振蕩器產生）。邊陣，用１／ｆｃｚ。代昏衍，，｛；喇＝：廠＝△妒厶。／２ｘ①這個被ＤＤＳ用來控制輸出信號的頻率的△妒存儲在頻率寄存器中，被稱為頻率控制字（ＦＣＷ，記為∥。）。它實際上就是每個ＤＤＳ工作時鐘周期內，相位累加器的增量值，并且叮由用戶程序設定。相位累加器由相位加法器和相位寄存器構成。每一次時鐘脈沖到來時，相位加法器就將相位寄存器中保存的上一次加法運算后的當前相位值與頻率寄存器中保存的頻率控制字ＦＣＷ（卸）相加，然后將相加后新的相位累加值保存到相位寄存器中。相位寄存器將該新相位值送到相位加法器的輸入端，留作下一次時鐘脈沖到來時繼續與頻率控制字作加法運算。相位累加器就是如此在高穩定度參考時鐘脈沖的作用下，對當前相位值不斷地進行增量恒定（增量為△妒）的線性累加。每次時鐘脈沖后，相位累加器都將當前相位累加結果送往相位一幅度轉換表。經查表后，相位值轉換為對應的幅度值，最后由ＤＡＣ輸出該幅值大小的模擬電信號。當累加的當前相位值超出了相位寄存器最大位數所能表示的數值時，即相位寄存器發生溢出，便完成了一個周期的正弦信號輸出。此時，相位寄存器會自動清空，重新從零開始新一輪的相位累加，即ＤＤＳ芯片開始新一個周期的正弦信號輸出。相位寄存器的溢出頻率即是ＤＤＳ輸出信號頻率。２ＤＤＳ芯片ＡＤ７００８及基于該芯片的信號發生及調制器ＡＤ７００８是ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．公司生產的一款應用頗為廣泛的ＤＤＳ芯片。它同時支持串行和并行數據輸入，具有信號幅度、頻率、相位均可精調及功耗低等優點。其支持的時鐘頻率有兩種：２０ＭＨｚ和５０ＭＨｚ。理論上ＤＤＳ芯片的最大輸出頻率滿一２５２—３６０元／年郵局訂閱號：８２—９４６萬方數據匿查垂塑垂塑受囊豳遣子設計足Ｎｙｑｕｉｓｔ采樣定律，當ＡＤ７００８的最島時鐘頻率為５０ＭＨｚ時，表２命令寄存器ＣＲ功能表…其可輸出頻率范例墁淪值為０．２５ＭＨｚ。２。ｌＡＤ７００８芯片戇蠹都結搦。ＡＤ７００８芯片內包含一個３２位的并行寄存器、一個３２位的串行寄存器、兩個３２位的頻舉寄存器、一個３２位的相位累加器、一個１２位的紉始擺位寄存器、正／余弦襁位一幅度轉換表、一個按鍵拆分成麗郝分使篇鮑２０位正交懈魔凋翩寄存器、一個１０位數模轉換器等，詳見圖２。２．２ＡＤ７００８芯脖的使用方法’ＡＤ７００８芯舞與終幫鵑接爨生要有：搴行數據輸入接鏊ＳＤＡＴＡ和ＳＣＬＫ，并行數據輸入接口Ｄｏ～Ｄ１５及西和廝，傳輸控制接口ＴＣ０～ＴＣ３殿ＬＯＡＤ．頻率寄存器選擇接口ＦＳＥＬＥＣＴ，量程調節接ＥｔＦＳＡ掰ＵＳｌ’秘％。等。其中３２位串行數據寄存器秘３２位并行數據寄存器町根據實際需要同時或單獨使用，可由其相應的接１２１引腳進行數據寫入操作。對芯片內部其它的功能性寄存器（如命令寄存器、頻率毒存辮、裙戇囊｛譴辮存器、歪交螓疰調裁態｛莩器》不簏盛接麥外部賦傻，要講色們所賦的值，都必須先寫入串行或并行數據輸入接翻寄存器中。然后在傳輸控制接口ＴＣＯ～ＴＣ３及ＬＯＡＤ撩應不弼熬引腳縫會（傳輸命令，下，送｛主不嗣的功錢燃寄存器。傳輸控制接口ＴＣ０一ＴＣ３及ＬＯＡＤ的不隨弓ｌ辯韁合，與其所表示的不同的數據傳輸源寄存器與目的寄存器的組合（傳輸命令）的美系如表１所示。其中特ｊ５ＩＪ值得注意的是，用來設定芯片工終狀態豹命令寄移器廷麓逶過并行數援寄存器來囊蕊傳羧數據，鼠它只南ＣＲＯ—ＣＲ３這４位組成，ＣＲＯ。ＣＲ３不同的值代表要對芯片設置的不同的工作狀態，具體如液２所示。頻率寄存器選攆接口ＦＳＥＬＥＣＴ＝Ｏ《１ｊ時，輳凼信號鶼頻率蟲頻率毒莓器ＦＲＥＱＯ（ＦＲＥＱＩｊ巾的頻率控鍘字％。（甄。）決定。量程蠲蒂接１２１ＦＳＡＤＪＵＳＴ和‰用來調節滿疑程輸出電流的大小。圖２ＡＤ７００８功能框圖ｌｌｌ２．３堪于ＡＤ７００８的信號發生及涮制器ｒ作過程在零設計孛，剩耀ＡＤ７００８蕊冀設詩了一塊基予王泣控裁計算機ｔＳＡ插槽擴展卡的信號發生及調制器。擴媵卡上ＡＤ７００８芯片與計算機ＩＳＡ接口的電路設計濺輯框圖如網－３。該信號發生及調割器的工幸＃過程壘Ｈ下：《１）設要得蠢豹輸出信號的頻率兔毛。ＩＳＡ擴曩書上供ＡＤ７００８使用的參考頻率源的頻率為五一＝５０ＭＨｚ。由于ＡＤ７００８的相位累加器是３２位的，根據前面所述的ＤＤＳＴｌ作原理．敝將式②棗豹２筇替換蠹２３乙毒薅到頻率控割亨ＦＣＷ（％）的詩算式如下：睨＝２”?丘所。。②表１ＴＣＯ～ＴＣ３信號與源寄存器、目的寄存器的對應關系…ｍ０；Ｏ８他數據寫入，Ｄ＃ＭＯＩ￥；ｆ＝甩，井行寄存囂錐駕一敬向左移ｓ艇，癌此３２位寄存赫蒜要４提撩薤寫入。＝ｌ１６｛ｊ：轂幫ｔ；人．每’；揀向‘裨１６ｐ，辯此ｊ２位毒存囂籬耍２次棒繕’；凡。ＣＲＩ神ＩＩ靖Ｉ葉憤Ａ。＝Ｉｆｉｆ，助ｆｔ似Ｈ他偉，ｔ內湍時鐘和ＤＡ¨拇囂ｒＩ：札ｔ斷．（飛２卻＾Ｍ屯斂－一Ｉ’個灶什咖０：輸’］：ｎ硅，上ＤＡ¨執囂。ｌＡＭ＾；塒，可ＵＬ理ＡＭ嗣ＱＡ，Ｍ捌捌揀ｊ¨轡如毋．ＦｑＥＬＦ（＿Ｔ、ＬＯＡＤ，ＴＣＯ．Ⅸ＇｛ｉｑ’ｊＣＬＯ（Ｋ瓣轡一ｌ蝌蟄乓阱，ＦＳＥＬＥＣＴ．ＬＯＡＤ，ＴＣＯ—ＴＣ３信垮與（．ＬＯＣＫ抖事．有利卡對擰制億ｑ的快璉響應，（２）通過對勞行數據輸入接口西、顢翔ＤＯ．Ｄ７以及傳輸挖涮接銎ＴＣ０－ＴＣ３纛ＬＯＡＩ）翡操作。囪露要瑤虱懿貉臻蠢毫慳寄存器（如命令寄存器、頻率寄存器等）賦值。（３）其中需要注患的怒：一定要最先對命令寄存器進行賦馕；頻率寄存器豹使（頻窶控制字ＦＣＷ）由式②計算褥ｌ電；要譬入并行寄存器酶３２位數赭汀以拆分成４個８位數據。并由０～Ｄ７分４次寫入并行寄存器（高位先寫入），另可參見表２中對此的說明。匿３ＡＤ７００８與｛｛－髯視ＩＳＡ接口電路設計逶輟框露３基于ＡＤ７００８的信號發生及調制器具體應用舉例如圖２新示，利用ＡＤ７００８內部的瞞個ｌＯ位黎法器裙一個按位拆分為Ｉｊ；Ｉｊ部分使用的２０位正交（Ｉ／Ｏ）幅度調制寄存器，可以實現一些筒單的調制方式，婦ＱＡＭ、ＡＭ、ＦｓＫ等。３。ｌＱＡＭ傣號調翱秘實凌一般地，～個信號可以分解為防個相互獨立的分量：ｌ（同棚）分量和Ｑ（誑交）分量。它們是正交的，互不相干。ＡＤ７００８的２０鱧鞠嚷度調涮寄存器憋茲ＩＯ紐１９：０］矮來設囂１分量蟾大小，后１０位［１９：１０１用來設鬣Ｑ分量的假。在ＱＡＭ調制方式中，１分量信號和Ｑ分量信號來自同一個信號源（載波），它們的頻率相同，故ＱＡＭ信號可表永為：ｓｆ｝》＝ｊｆ￡）?ｅｏ《２曩￡ｆ專島，－Ｑ（ｔ）?ｓｉｎ（２ｚｅｆ，ｔ÷繡）（黔載波信號頻率正的設置可通過對ＦＲＥＱＯ或ＦＲＥＱＩ中侄一個，置采用式②計算出的頻率控制字％來完成＋醵通過初始攘位寄存器寒設置，經過ＳＩＮ／ＣＯＳＲＯＭ查誨表囂，琢戇共ｌ司豹載波相當于分為兩路，其申～路不變為ｃｏｓ（２７ｒ．疋ｆ十８０），男一路作了９０度的相移為ｓｉｎ（２ｘｆｊ＋Ｒ），然盾各自乘以１０位１分量幅度調制寄存器的值Ｊ（ｆ）與１０位Ｑ分嫠幅度調制寄存器的值Ｑ（ｔ》，最后瑟路分羹裰麓并蠢ＤＡＣ輸出，這祥便可實現ＱＡＭ信號調制。３．２ＡＭ信號調制的實現ＡＭ簧號豹耘蕊表示蹩ｓ（Ｏ＝?，【ｌ十ｍ（ｔ）］．ｃｏｓ（２ｒｒＺｔ＋繡），其孛ｒｅ（ｔ）是桶制信號?？梢詫ⅲ矗妫欤?，，，ｆ，）ｊ看律～整體并令其等于，（，），將公式改寫為ｓ（ｔ）＝ｌ（ｔ），ｃｏｓ（２ｎ＇ｆ，ｔ＋純Ｊ。這樣我們使可看出它其實是式③中Ｑｆｆ）＝０的特鍘。那么ＡＭ調制妁實現方法便與上述ＱＡＭ調翩酶蜜瑗稅麓競金～祥，哭需將粥嚆度瓣翱寄存器酶（鹼目自控同郵局訂閱號：８２．９４６３６０元／．＃－一２５３—萬方數據申子設計《微計算機信息》（嵌入式與ＳＯＣ）２００９年第２５卷第２．２期后ｌｏ位【１９：１０Ｉ一直置零即可。２０７欠諧波的理論幅值為ｌＶ，理淪有效值為去；ｏ７０７２Ｆ。表Ｉ是各３．３二進制ＦＳＫ調制的實現個數據的誤差分析，可以看出主要誤差都在１％．２％之間，其中在二進制ＦＳＫ（頻移鍵控）調制中，當傳送數字量…０’時載實際測量與理論結果一部分誤差是由于電路信號噪音等問題波頻率為五，當傳送“１”時載波頻率為Ｚ。其機制是利用基帶數造成的。字信號（矩形脈沖）對單一載波信號發生器的兩個不同頻率寄存器進行選通。在利用本信號發生及調制器的實現中，可以將厶、』對應的頻率控制字町。、町。分別送往頻率寄存器ＦＲＥＱ０和ＦＲＥＱｌ，并將基帶數字信號連接到頻率寄存器選擇接口引腳ＦＳＥＬＥＣＴ。這樣便可實現由基帶數字信號的高低電平來選擇載波頻率的二進制ＦＳＫ調制了。４結束語本文介紹了利用ＤＤＳ芯片ＡＤ７００８實現信號發生與調制的方法，這些方法均已在筆者的實際工程中得以成功的使用和驗證。實際應用表明，通過ＩＳＡ總線接口利用工業控制計算機來控制基于ＡＤ７００８芯片的信號發生及調制器，可以方便地實現不同頻率信號的發生及切換，輸出信號頻率分辨率高、波形失真度小，并能夠實現ＱＡＭ、ＡＭ、ＦＳＫ等調制功能。本文作者創新點：闡述了工業控制計算機與ＤＤＳ芯片的接口設計思路及實際應用舉例。項目經濟效益４０萬元。參考文獻【１］ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．ＣＭＯＳＤＤＳＭｏｄｕｌａｔｏｒＡＤ７００８ＤａｔａＳｈｅｅｔ，１９９５［２］ＩｎｔｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｏＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ，１９９９【３］黃愛蓉．高性能ＤＤＳ信號產生器的設計研究【Ｊ］．微計算機信息，２００５，８—１：１６—３２作者簡介：閻飛，男，出生年月：１９８３年５月，籍貫：遼寧省大連市，碩士研究生；上海交通大學電子信息與電氣工程學院，儀器科學與工程系，主要研究方向：測試系統中的信號處理：顏德田，男，上海交通大學電子信息與電氣工程學院，儀器科學與工程系，副教授，高級工程師。Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＹＡＮＦｅｉ（１９８３一），Ｍａｌｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｄｅｐｔ．ｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈｏｏｌ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＭａｊｏｒｉｎＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ：ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．（２００２４０上海交通大學電子信息與電氣工程學院儀器科學與工程系）閻飛顏德田（Ｄｅｐｔ．ｏｆＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎ－ｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｈ００１．ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ２００２４０）ＹＡＮＦｅｉＹＡＮＤｅ－ｔｉａｎ通訊地址：（２００２４０上海閔行區東川路８００號上海交通大學．Ｂ０６０３５９１班）閻飛（收稿Ｅｌ期：２００９．０１．０３）（修稿日期：２００９．０２．０５）（上接第１４５頁）因為信號源輸出的信號存在微小的變動，因此取其平均值，理論基波幅值為５．０５／２：２．５２５Ｖ、理論有效值為百２５２５＝一刖，５結束語本文的創新點是以高速定點ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２為核心，輔以高精度的數據采集芯片ＡＤ７６５６，內部采用高效的實序列ＦＦｒ算法，實時監測性能比傳統的諧波檢測系統有了很大的提高，同時具有比較好的性價比。經實際測試表明此檢測系統已達到了國家Ａ級諧波分析儀的要求。參考文獻，【１］ＴＭＳ３２０Ｆ２８１ｘＤａｔａＳｈｅｅｔ［Ｚ】．ＴＥＸＡＳＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ．２００１。［２１３：毅．尹為民．石敏．基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的電能質量檢測系統【Ｊ】．微計算機信息，２００７，６—２：１７５—１７６。『３１侯麗華．基于ＴＭＳ３２０ＶＣ３３實現的電能質量監測系統ｆＪ］．微計算機信息，２００７，２一ｌ：９２—９４?！海矗瘪T紅巖，趙雙喜，張建成等．基于雙ＣＰＵ的電能質量監測系統設計與實現『Ｊ１．繼電器。２００６，３４（７）：６１—６４。ｆ５１肖湘寧等．電能質量分析與控制ｆＭｌ．北京：中國電力出版社，２００４。作者簡介：陳國磊（１９８ｌ一），男，浙江杭州人，中國科學院等離子體物理研究所七室，在讀碩士研究生，主要研究方