Application of AD9851 and AT89C51 in Signals
武汉理工大学 陈永泰 刘雪燕

摘 要： 本文介绍了美国模拟器件公司采用先进DDS直接数字频率合成技术生产的高集成度产品AD9851芯片的引脚功能、特性和工作原理，同时介绍了单片机芯片AT89C51的特性及这两个芯片在信号源中的应用。
关键词：DDS ； AD9851 ； AT89C51 ； 信号源

在现代科研、通信系统、教学试验以及各种电子测量技术中，常常离不开一个高精度、频率可变的信号源，并且要求由数字信号来控制，这就是数字式频率合成器。频率合成虽不是一项新技术，但是近年来它的发展十分迅速，合成器性能不断提高，应用日益广泛，它不仅完全占领了传统上需要使用信号源的各个方面，而且开拓了很多新的领域，这标志第三代信号合成技术的出现。这种合成技术(DDS)具有转换速度快、分辨率高、换频速度快、频率转换时间和相位连续以及可灵活产生多种信号等优点。该产品已广泛用于接收机本振、信号发生器、通信系统，特别是跳频通信系统。

AD9851介绍

工作原理

AD9851的组成

AD9851是在AD9850的基础上，做了一些改进以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相对于AD9850的内部结构，只是多了一个6倍参考时钟倍乘器，当系统时钟为180MHz时，在参考时钟输入端，只需输入30MHz的参考时钟即可。如图1（AD9851内部结构）所示，AD9851是由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模/数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。其中具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器集成到一起。这个高速DDS芯片时钟频率可达180MHz， 输出频率可达70 MHz，分辨率为0.04Hz。

图1 AD9851内部结构(略)

AD9851的原理

AD9851可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制且稳定性很好的模拟正弦波，这个正弦波能够直接作为基准信号源，或通过其内部高速比较器转换成标准方波输出，作为灵敏时钟发生器来使用。AD9851输出的方波还可以通过相应的功能处理。电路处理后，即可得到频率连续可调的三角波、锯齿波、斜波、脉冲等信号源， 如图2所示。

图2 总体框图(略)

在AD9851中，为了避免要求高速参考时钟振荡器，在电路内部结构中设计了一个6倍的参考时钟乘法器，这部分减小了由于外部频率源过高而可能产生的相位噪声，并且其内部的高速比较器可接收DAC外部LPF的输出，产生一个低抖动的输出脉冲，这个输出脉冲的频率和相位可以通过程序来进行调制。方法是：采用并行或串行的方式来输入频率/相位控制字到数据输入寄存器中，而AD9851内部有5个输入寄存器，储存来自外部数据总线的32位频率控制字，5位相位控制字，1位6倍参考时钟倍乘器使能控制，1位电源休眠功能(powerdown)控制和1位逻辑0。寄存器接收数据的方式有并行和串行两种方式。 并行方式由5组8位控制字反复送入，前8位控制输出相位、6倍参考时钟倍频器、 电源休眠和输入方式，其余各位构成32位频率控制字。而串行输入是以一个40位的串行数据流经过一个并行输入总线输入。

如果相位累加器的位数为N，相位控制字的值为FN ，频率控制字的位数为M，频率控制字的值为FM，系统外部参考时钟频率为30MHz，6倍参考时钟倍乘器使能，经过内部6倍参考时钟倍乘器后，可得到AD9851内部工作时钟FC为180MHz，最终合成信号的频率可由公式(1)来决定，合成信号的相位由公式(2)来决定。

F=FmFc/2N (1)

=2 Fn/2M (2)

AD9851引脚功能

AD9851为28引脚表帖元件，其引脚排列如图3所示。

图3 AD9851引脚排列图(略)

AD9851的各引脚功能如下:

D0～D7：8位数据输入口，可给内部寄存器装入40位控制数据。

PGND：6倍参考时钟倍乘器地。

PVCC：6倍参考时钟倍乘器电源。

W-CLK：字装入信号，上升沿有效。

FQ-UD：频率更新控制信号，时钟上升沿确认输入数据有效。

FREFCLOCK：外部参考时钟输入。

CMOS/TTL脉冲序列可直接或间接地加到6倍参考时钟倍乘器上。在直接方式中，输入频率即是系统时钟；在6倍参考时钟倍乘器方式，系统时
钟为倍乘器输出。

AGND：模拟地。

AVDD：模拟电源(+5Ｖ)。

DGND：数字地。

DVDD：数字电源(+5Ｖ)。

RSET、DAC：外部复位连接端。

VOUTN：内部比较器负向输出端。

VOUTP：内部比较器正向输出端。

VINN：内部比较器的负向输入端。

VINP：内部比较器的正向输入端。

DACBP：DAC旁路连接端。

IOUTB：“互补”DAC输出。

IOUT：内部DAC输出端。

RESET：复位端。低电平清除DDS累加器和相位延迟器为0Hz和0 相位，同时置数据输入为串行模式以及禁止6倍参考时钟倍乘器工作。

控制字与控制时序

频率/相位控制字可通过微处理器以并行方式/串行方式输入到AD9851，其中最前面的8位分别为5位相位控制字，一位用于电源休眠（powerdown）控制，2位用于选择工作方式，工作方式的选择要谨慎，无论是并行还是串行，最好都写成00，并行时的10、01和串行时的10、01、11都是工厂测试用的保留控制字，不慎使用可能导致难以预料的后果。剩余32位的是频率控制字，用来对频率进行调制。

并行方式输入控制字的时序图为图4所示（在图4中，TCD:频率更新后参考时钟延迟； TDS ：数据设置时间；TDH ：数据装入时间；TFH：频率更新控制信号高电平有效时间；），通过８位总线D0…D7可将数据输入到寄存器，在重复５次之后再在FQ-UD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率／相位数据寄存器（更新DDS输出频率和相位），同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。

图4 控制字并行界入的时序图(略)

接着在W-CLK的上升沿装入８位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续５个W-CLK上升沿后，W-CLK的边沿就不再起作用，直到复位信号或FQ-UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。40位的控制字各位的功能如表1所示。

表1：40位的控制字各位的功能(略)

Data[1]这一位通常情况下置为0，除非在由并行方式改变为串行方式时，将其置为1，但是当已经进入串行方式输入频率/相位控制字时，应该立即将这一位重新置为0，以保证系统正常的运行。

单片机与AD9851的接口既可采用并行方式，也可采用串行方式，但为了充分发挥芯片的高速性能，应在单片机资源允许的情况下尽可能选择并行方式，这里对于串行方式具体的输入控制字和时序图就不再详述。

AD9851在信号源中的应用

为了能够完成调频、调幅、调相的各种功能，要向AD9851输入频率/相位控制字，这是通过AD9851和微处理器相连接来实现。可以和AD9851的数据线直接相连接的单片机类型很多，本文中选用的是Atmel公司生产的单片机AT89C51，如图6所示，为AT89C51和AD9851的硬件并行接口框图。当然也可以选用AT89C52、MCS51、AD9851、AD9850等。

图6 硬件接线图(略)

AT89C51是低功耗、高性能的8位CMOS微处理器，内置4K字节可编程只读闪存，128 8位的内部RAM，32位可编程I/O总线。它采用Atmel公司的非易失存储器制造技术，与MCS51的指令设置和芯片引脚可兼容。

AT89C51是一种工作频率为0－24MHz的高效、经济的微处理控制器。在图6中，将AT89C51引脚P1.0－P1.7作为频率和相位控制字、工作方式控制字的输入口，P2.1、P2.0分别控制AD9851的写装入信号W-CLK和频率更新控制信号FQ-UD。由于AD9851的工作频率远高于AT89C51的频率，所以两个芯片的RESET引脚可直接连接。

在这个电路中，将DDS的控制字从高到低存放在40H－44H中，发送控制字的程序清单如下：

MOV R0,#05H ；设定数据指针

MOV R1,#40H ；数据存储的首地址

MOV P1,@R1 ；将数据送到P1端口

SETB P2.1 　；上升沿写入数据

CLR P2.1 ；清零

INC R1 　；数据地址加一

DJNZ R0,DD ；循环

SETB P2.0 ；40位数据载入

CLS P2.0 ；清零

END ；结束

在该程序中，首先将一字节送入P0口，将P2.1置高，然后准备下一字节，这样循环5次，将P2.0置高，如根据控制字更新频率和相位控制字，将P2.0置低，准备下一个循环。如果输入的控制字为：W0=00001001；W1=00001110；W2=001110001；W3=11100011；W4=10001110 ，则F0=30*FM/25=10MHz； ＝360*FN/232 =11.25（选择POWER-UP模式）。

结论

从这个接口电路和它的软件编程的实际应用证明来看，其工作可靠，效果良好，既实现了高稳定度、高精度、高分辨率的要求，又有价格便宜、体积小的特点。当然采用AD9851和单片机采用并行连接和软件编程来实现对信号的调频、调相功能的电路还可进一步的优化，例如：为了使单片机的资源占用尽量少，在这种方式下，AD9851仅作为一种扩展芯片而占用外部RAM的一段地址，必要时也可以只占用一个地址，而占用的地址号码不变，仍然为40H－44H。如果采用其它型号的单片机来控制AD9851，则软件程序将与本文在某些地方将有所区别。