高的頻率信號源對通信系統(tǒng)、電子對抗以及各種電子測量技術(shù)十分重要[1-3]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對信號源頻率的穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度，以及頻譜純度提出了越來越高的要求。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(Direct Digital Fre-quency Synthesis，DDS)，是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。和傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，他具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)變速度快、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程和全數(shù)字化、便于集成等突出優(yōu)點。DDS將先進的數(shù)字處理技術(shù)與方法引入信號合成領(lǐng)域，成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，成為眾多電子系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。

1 DDS基本原理

DDS以數(shù)控振蕩器的方式產(chǎn)生頻率、相位可控制的正弦波，主要由基準(zhǔn)時鐘?s、相位累加器、幅度／相位轉(zhuǎn)換電路、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器(LPF)組成。他采用數(shù)字技術(shù)重復(fù)掃描存儲器來獲取數(shù)據(jù)，構(gòu)筑出所希望的波形。DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理如所示。

DDS工作原理[1]是基于相位和幅度的對應(yīng)關(guān)系，通過改變頻率轉(zhuǎn)換字來改變相位累加器的累加速度，然后在固定時鐘的控制下取樣，對取樣得到的相位值，通過相位幅度轉(zhuǎn)換得到與相位值對應(yīng)的幅度序列，幅度序列再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換得到模擬形式量化的正弦波輸出。其輸出頻率為：

其中N為相位累加器的位數(shù)；FTW為頻率轉(zhuǎn)換字，?s為時鐘頻率。式中，F(xiàn)TW由外部控制電路預(yù)置，當(dāng)時鐘頻率?s與N一定時，輸出頻率?o僅僅取決于FTW的值。

當(dāng)FTW=1時，DDS所能產(chǎn)生的正弦信號的頻率，即頻率分辨率為：

DDS輸出頻率由Nyquist采樣定理決定，即?s／2。

事實上，在DDS的實際應(yīng)用系統(tǒng)中，相位累加器的所有輸出位并沒有全部送到查找表，一般只取高位，這樣既減少了查找表的規(guī)模，又不影響系統(tǒng)的頻率分辨率。這個相位輸出給的輸出只帶來小到可以接受的相位噪聲，相位噪聲基本上來源于參考時鐘。在DDS系統(tǒng)中，重要的是對帶寬和頻率純度之間的折中。如果時鐘頻率降低，則Nyquist頻率下降，帶寬減小，同時D／A變換器的分辨率提高，這樣就可以得到更高的頻譜純度。所以，對DDS輸出頻率分頻就可以減小帶寬并且提高頻譜純度。模擬信號頻譜純度主要取決于D／A變換器的性能。

2 直接數(shù)字頻率合成器AD9951

2.1 AD9951功能特點

AD9951數(shù)字直接頻率合成器[4]是高度集成化芯片，他采用了先進的DDS技術(shù)，結(jié)合內(nèi)部高速、高性能D／A轉(zhuǎn)換器，形成可編程、可靈活使用的頻率合成功能。當(dāng)提供給AD9951的時鐘源頻率時，AD9951將產(chǎn)生高穩(wěn)定、可編程頻率相幅的正弦波，作為信號源可廣泛應(yīng)用于通信工程、雷達以及許多其他設(shè)施。AD9951使用先進的CMOS技術(shù)，使得提供給這個高性能芯片的工作電壓僅為1.8 V。

AD9951的主要特點如下：400 MHz內(nèi)部時鐘；集成化14位D／A輸出；32位頻率轉(zhuǎn)換字；良好的動態(tài)性能；在160 MHz輸出時，具有大于80 dB SFDR；4～20倍可編程參考時鐘倍乘器；支持5 V數(shù)字輸入；具有相位調(diào)整功能；多片同步功能；串行I／O控制；48腳TQFP封裝。

2.2 AD9951引腳功能

AD995l的引腳排列如所示。他采用TQFP封裝。

3 通用信號源設(shè)計

3.1 硬件電路

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如所示，主要由頻率合成模塊(AD9951)、控制模塊(AT89C51)、信號整形及輸出模塊(AD7852、濾波、放大和比較電路)組成。頻率合成模塊是系統(tǒng)的部分，控制模塊的主要任務(wù)是完成頻率控制字和控制信號的置入，信號整形及輸出模塊主要完成濾波和放大功能，使輸出符合信號源的要求。

硬件電路以AD9951為部件。AD9951內(nèi)部寄存器的配置需要有專門的外部控制電路來對其進行操作，完成相應(yīng)功能。單片機體積小，可簡化外圍電路結(jié)構(gòu)從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且實時控制功能強大，使用方便，可用各種單片機開發(fā)工具來編程設(shè)計，所以選用AT89C51單片機來控制AD995l的運行。單片機對AD9951的主要操作有片選(CS)使能、串行數(shù)據(jù)(SDlO)、串行時鐘(SCLK)及I／O更新信號。AD9951與AT89C51的接口電路如所示。

AD9951內(nèi)部寄存器配置完成后，就會按照相應(yīng)工作模式輸出一定頻率(由FTW值決定)的正弦信號，幅度約100 mV左右。輸出正弦波經(jīng)過濾波器進行濾波后輸出純凈的正弦波。同時，該信號送到放大器，放大器的輸出經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換作為比較器的一路輸入，比較器的另一路輸入是D／A輸出電壓，該電壓對應(yīng)輸出脈沖的占空比。當(dāng)D／A輸出電壓為零時，輸出為標(biāo)準(zhǔn)方波；當(dāng)D／A輸出電壓不為零時，輸出為脈沖波。信號整形及輸出電路如所示。

3.2 軟件編程

軟件編程的主要工作是按照一定的時序邏輯，將數(shù)據(jù)寫入AD9951內(nèi)部寄存器。雖然AD9951寄存器的配置靈活，但基本的工作流程不變。在處理器初始化后，應(yīng)寫入合適的指令以初始化AD9951，完成各寄存器的配置。結(jié)合硬件電路給出了相關(guān)寄存器的操作程序如下：

4 結(jié) 語

本文給出了一種基于AD9951的通用信號源設(shè)計方法。在完成硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計控制程序可實現(xiàn)頻率可控、幅度可調(diào)的正弦波、標(biāo)準(zhǔn)方波和脈沖波的輸出。通過示波器觀察，可以看到清晰的輸出波形。通過改變頻率控制字輸入，可得到不同頻率的穩(wěn)定信號。實驗結(jié)果表明該電路設(shè)計正確，為下一步的工作奠定了基礎(chǔ)。在硬件上，可以對外圍器件進行擴展，實現(xiàn)調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)制輸出等多種功能，加上鍵盤和顯示器就是一個通用的多功能信號發(fā)生器。在軟件上，可以擴展應(yīng)用程序，從而實現(xiàn)對多種功能的處理。

  

參考文獻:

[1]. AD9951 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AD9951_251955.html.
[2]. TQFP datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TQFP_1528902.html.
[3]. AT89C51 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/AT89C51_810155.html.