关于基于DDS技术的杂散抑制和正弦信号源的实现
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。
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：
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。
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/(0.5×10-4s)=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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
【飞凌RZ/G2L开发板试用体验】+02+基本功能测试
AI时代 互联网巨头争做抢滩登陆的排头兵
威马W6正式下线,将成为国内第1辆无人驾驶的智能电动车
威马发布PAVP停车场免学习自动泊车功能
电能管理与电力监控系统在上海世博村VIP生活馆的应用
关于基于DDS技术的杂散抑制和正弦信号源的实现
网友曝出魅蓝E2真机图，比小米MIX激进多了
苹果无线耳机AirPods相信不陌生，售价高过万元的Airpods你见过么？
浅谈折叠屏它究竟是个啥
中国新造车第一股的新是什么
锂离子电池极片残留水分测试及其对性能的影响
PyQT5+Pycharm编写一个简单的串口上位机
空调行业进入淡季市场需求萎靡，行业价格竞争激烈
中国被“卡脖子”的芯片产业过去三年改变了什么?
新增眼球追踪技术 三星galaxy s3将重新命名
创略科技获7100万元B轮融资，饿了么、沃尔玛均是客户
亚马逊发力量子计算，云计算会是它的成功关键吗
Linux 系统之IO多路复用应用
lcd1602时序图浅析
三相程控标准功率源XL-803在使用中应该注意哪些问题？
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。
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：
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。
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/(0.5×10-4s)=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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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。
【飞凌RZ/G2L开发板试用体验】+02+基本功能测试
AI时代 互联网巨头争做抢滩登陆的排头兵
威马W6正式下线,将成为国内第1辆无人驾驶的智能电动车
威马发布PAVP停车场免学习自动泊车功能
电能管理与电力监控系统在上海世博村VIP生活馆的应用
关于基于DDS技术的杂散抑制和正弦信号源的实现
网友曝出魅蓝E2真机图，比小米MIX激进多了
苹果无线耳机AirPods相信不陌生，售价高过万元的Airpods你见过么？
浅谈折叠屏它究竟是个啥
中国新造车第一股的新是什么
锂离子电池极片残留水分测试及其对性能的影响
PyQT5+Pycharm编写一个简单的串口上位机
空调行业进入淡季市场需求萎靡，行业价格竞争激烈
中国被“卡脖子”的芯片产业过去三年改变了什么?
新增眼球追踪技术 三星galaxy s3将重新命名
创略科技获7100万元B轮融资，饿了么、沃尔玛均是客户
亚马逊发力量子计算，云计算会是它的成功关键吗
Linux 系统之IO多路复用应用
lcd1602时序图浅析
三相程控标准功率源XL-803在使用中应该注意哪些问题？