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【摘 要】本文介绍了一种改进的直接数字频率合成器的设计原理，详细讨论了DDS频率合成技术及系统软件、硬件的设计。
【关键词】DDS；可控分频器；单片机
频率源是雷达、通信、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键。在现代电子学的各个领域常常需要高精度且频率可方便调节的信号源。传统的频率合成器已不能适应技术发展的需要，直接数字式频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis）简称DDS或DDFS，是随之发展起来的一种新的频率合成技术，它是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一般采用相位累加器和幅码编址器对存储器进行寻址，过于复杂并且电路调试有一定难度，滤波器精确度要求很高，频率很高时波形不光滑且容易失真。本文针对这一不足进行了改进。
一、改进的直接数字频率合成器设计框图
该系统全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠，利用单片机控制管理，使频率预置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便，数字频率合成技术使输出频率准确度和稳定度得到提高，频率分辨率为1HZ。
二、系统的总体设计思路
该系统分为单片机处理与控制部分两大部分，单片机采用89C51，通过一块接口芯片8255与键盘和显示器连在一起，因显示的位数只四位，故采用数码管动态显示，软件译码，采用2*8的键盘进行预置数输入，控制，键盘上共有0—9个数字键、6个功能键；利用单片机的输出来控制可控分频器，然后通过计数器对可控分频器的输出脉冲进行计数，把8位计数器的输出作为一个地址码，将这个地址码作为存储器的读写地址，从存储器中取出预先存放的各种量化数据，经DAC0832进行D/A转换，最后通过滤波器输出一个频率受键盘控制的正弦波。经过对DDS的改进后，该系统能产生1HZ—9999HZ的频率，频率可由键盘进行预制，并且输出频率可通过显示器进行数码显示。
1、单片机控制部分的设计：
1）显示器部分的设计
显示器采用数码管进行显示，数码管成本低、性能稳定。采用四个共阴极的数码管，将四个数码管的8个段码端全部并联到一起，然后分别将四个数码管的位控制器接到PC口，当显示千位时，PC口输出位码7FH；PB口输出经过译码后的显示数的段码，从而在千位上显示一个千位数，能后依次百位，十位，个位，这样一个周期下来，四个数码管依次被点亮了一次，根据人眼的视觉暂留特性，动态显示数据，通过控制不同的位码来显示不同的数据位，在程序延时等其他情况下，都调用显示程序，尽可能减少显烁感，不影响整个的视觉效果。利用伟幅仿真器仿真，下图为显示器的流程图。
2）键盘部分的设计
采用8255动态扫描键盘，2*8键盘，有16个按键，0—9个数字键，+1，-1，+10，-10，清零键，确认等6个功能键。
8255的PA口作为扫描口，从8255PA口输出高电平，逐列进行扫描，在P2口的第4、5位为输入脚，通过P2口接收电平的高低和8225PA口8位输出的状态，综合起来判定是哪个按键按下，在程序中间加一个消抖电路，然后将扫描回来的键值，通过处理子程序进行处理从而根据按键的不同功能实现不同的控制。仿真扫描部分流程图如下。
2、频率合成部分的设计
1）可控分频器的设计
可控分频器主要利用MC14527系列集成来实现，其基本工作原理如下图所示，高位置数K1，低位置数K2，在10个CP脉冲内，14527（1）Q端输出K1个脉冲，同时由其INHOUT断禁止低位14527（2）对CP进行比例分配，这样K1个脉冲通过14527（2）从fout直通输出，10个CP脉冲结束时，14527（1）的INHOUT端发出一个使能脉冲，则可以有一个脉冲从14527（2）CP端进入。那么在100个脉冲内，有10*K1个脉冲在fout处直通输出，有10个脉冲从14527（2）的CP端进入。按K2值比例分配后有K2个脉冲在fout处输出，fout共送出10*K1+K2个脉冲，即fout=（10K1+K2）fin/100。
四级14527级联，预置K1、K2、K3、K4后，其级联输出频率为fout=（1000K1+100K2+10K3+K4）fin/10000晶振电路输出频率fin=10KHZ，则FOUT=[10000（1000K1+100K2+10K3+K4）]/10000HZ，即级联输出为预置频率的（1000*K1+100*K2+10K3+K4）倍频，ROM数据表中100个采样点代表一个周期，这样就可以实现数控输出频率。输出频率的稳定度与精度完全取决于晶振精度，频率极稳定，无跳频现象。
两级14527的级联
2）计数器的设计
如下图所示采用2片74LS161作为一个8位的100进制计数器，对MC14527输出的脉冲进行计数，当计到100的时候的计数器清零，然后又重新开始新一轮计数，同时8位计数器的输出值作为一个位地址对存储器2716进行寻址。
3）存储器
在存储器中存储了100个采样点127sin（nψ+1）（其中ψ=2π/100），这100个采样点以1V、1HZ频率为基准，将这100个采样点存入2716，最终在2716的9-17脚输出一连串的数据信号，然后通过DA0832进行转换。
4） D/A转换和低通滤波
DA0832把2716输出的二进制数据转换为模拟信号。用示波器可以看出这些模拟信号中有一些锯齿，波形不够光滑，因此增加一个低通滤波器从而在输出端得到一系列频率不同的正弦波。因为我们采用了100个取样点，所以只要用一个很简单的低通滤波器就可以得到比较光滑的波形。
三、直接数字频率合成器电路图（见附图）
四、结论
本设计直接数字频率合成器采用可控分频器和计数器取代了采用相位累加器的直接数字频率合成器中的幅码编址，累加器，降低了系统实现的难度，同时也方便了系统的调试，降低整个系统成本。
参考文献：
[1] 清华大学电子教研组编，阎石主编：《数字电子技术基础》（第四版），北京，高等教育出版社，1998年.
[2] 滨州学院学报，李建磊等编《直接数字频率合成器（DDS）精度提高方法研究》，2006年6月.
[3] 王家礼等编著《频率合成技术》，西安电子科技大学出版社，2009年.
附图：直接数字频率合成器电路图
【关键词】DDS；可控分频器；单片机
频率源是雷达、通信、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键。在现代电子学的各个领域常常需要高精度且频率可方便调节的信号源。传统的频率合成器已不能适应技术发展的需要，直接数字式频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis）简称DDS或DDFS，是随之发展起来的一种新的频率合成技术，它是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术。一般采用相位累加器和幅码编址器对存储器进行寻址，过于复杂并且电路调试有一定难度，滤波器精确度要求很高，频率很高时波形不光滑且容易失真。本文针对这一不足进行了改进。
一、改进的直接数字频率合成器设计框图
该系统全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠，利用单片机控制管理，使频率预置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便，数字频率合成技术使输出频率准确度和稳定度得到提高，频率分辨率为1HZ。
二、系统的总体设计思路
该系统分为单片机处理与控制部分两大部分，单片机采用89C51，通过一块接口芯片8255与键盘和显示器连在一起，因显示的位数只四位，故采用数码管动态显示，软件译码，采用2*8的键盘进行预置数输入，控制，键盘上共有0—9个数字键、6个功能键；利用单片机的输出来控制可控分频器，然后通过计数器对可控分频器的输出脉冲进行计数，把8位计数器的输出作为一个地址码，将这个地址码作为存储器的读写地址，从存储器中取出预先存放的各种量化数据，经DAC0832进行D/A转换，最后通过滤波器输出一个频率受键盘控制的正弦波。经过对DDS的改进后，该系统能产生1HZ—9999HZ的频率，频率可由键盘进行预制，并且输出频率可通过显示器进行数码显示。
1、单片机控制部分的设计：
1）显示器部分的设计
显示器采用数码管进行显示，数码管成本低、性能稳定。采用四个共阴极的数码管，将四个数码管的8个段码端全部并联到一起，然后分别将四个数码管的位控制器接到PC口，当显示千位时，PC口输出位码7FH；PB口输出经过译码后的显示数的段码，从而在千位上显示一个千位数，能后依次百位，十位，个位，这样一个周期下来，四个数码管依次被点亮了一次，根据人眼的视觉暂留特性，动态显示数据，通过控制不同的位码来显示不同的数据位，在程序延时等其他情况下，都调用显示程序，尽可能减少显烁感，不影响整个的视觉效果。利用伟幅仿真器仿真，下图为显示器的流程图。
2）键盘部分的设计
采用8255动态扫描键盘，2*8键盘，有16个按键，0—9个数字键，+1，-1，+10，-10，清零键，确认等6个功能键。
8255的PA口作为扫描口，从8255PA口输出高电平，逐列进行扫描，在P2口的第4、5位为输入脚，通过P2口接收电平的高低和8225PA口8位输出的状态，综合起来判定是哪个按键按下，在程序中间加一个消抖电路，然后将扫描回来的键值，通过处理子程序进行处理从而根据按键的不同功能实现不同的控制。仿真扫描部分流程图如下。
2、频率合成部分的设计
1）可控分频器的设计
可控分频器主要利用MC14527系列集成来实现，其基本工作原理如下图所示，高位置数K1，低位置数K2，在10个CP脉冲内，14527（1）Q端输出K1个脉冲，同时由其INHOUT断禁止低位14527（2）对CP进行比例分配，这样K1个脉冲通过14527（2）从fout直通输出，10个CP脉冲结束时，14527（1）的INHOUT端发出一个使能脉冲，则可以有一个脉冲从14527（2）CP端进入。那么在100个脉冲内，有10*K1个脉冲在fout处直通输出，有10个脉冲从14527（2）的CP端进入。按K2值比例分配后有K2个脉冲在fout处输出，fout共送出10*K1+K2个脉冲，即fout=（10K1+K2）fin/100。
四级14527级联，预置K1、K2、K3、K4后，其级联输出频率为fout=（1000K1+100K2+10K3+K4）fin/10000晶振电路输出频率fin=10KHZ，则FOUT=[10000（1000K1+100K2+10K3+K4）]/10000HZ，即级联输出为预置频率的（1000*K1+100*K2+10K3+K4）倍频，ROM数据表中100个采样点代表一个周期，这样就可以实现数控输出频率。输出频率的稳定度与精度完全取决于晶振精度，频率极稳定，无跳频现象。
两级14527的级联
2）计数器的设计
如下图所示采用2片74LS161作为一个8位的100进制计数器，对MC14527输出的脉冲进行计数，当计到100的时候的计数器清零，然后又重新开始新一轮计数，同时8位计数器的输出值作为一个位地址对存储器2716进行寻址。
3）存储器
在存储器中存储了100个采样点127sin（nψ+1）（其中ψ=2π/100），这100个采样点以1V、1HZ频率为基准，将这100个采样点存入2716，最终在2716的9-17脚输出一连串的数据信号，然后通过DA0832进行转换。
4） D/A转换和低通滤波
DA0832把2716输出的二进制数据转换为模拟信号。用示波器可以看出这些模拟信号中有一些锯齿，波形不够光滑，因此增加一个低通滤波器从而在输出端得到一系列频率不同的正弦波。因为我们采用了100个取样点，所以只要用一个很简单的低通滤波器就可以得到比较光滑的波形。
三、直接数字频率合成器电路图（见附图）
四、结论
本设计直接数字频率合成器采用可控分频器和计数器取代了采用相位累加器的直接数字频率合成器中的幅码编址，累加器，降低了系统实现的难度，同时也方便了系统的调试，降低整个系统成本。
参考文献：
[1] 清华大学电子教研组编，阎石主编：《数字电子技术基础》（第四版），北京，高等教育出版社，1998年.
[2] 滨州学院学报，李建磊等编《直接数字频率合成器（DDS）精度提高方法研究》，2006年6月.
[3] 王家礼等编著《频率合成技术》，西安电子科技大学出版社，2009年.
附图：直接数字频率合成器电路图