基于AD9851信號發(fā)生器的設(shè)計

摘要：基于直接數(shù)字頻率合成(DDS)原理，采用AD9851型DDS器件設(shè)計一個信號發(fā)生器，實現(xiàn)50 Hz～60 MHz范圍內(nèi)的正弦波輸出。通過功率放大，在50Ω負載的情況下，該信號發(fā)生器在50 Hz～10 MHz范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定正弦波，電壓峰峰值為0～5V±0．3V。
關(guān)鍵詞：DDS；直接數(shù)字頻率合成；AD9851；微處理器；C語言

0 引言
    直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesis—DDS)是近年來新的電子技術(shù)。單片集成的DDS產(chǎn)品是一種可代替鎖相環(huán)的快速頻率合成器件。DDS是產(chǎn)生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優(yōu)先選用技術(shù)。DDS以穩(wěn)定度高的參考時鐘為參考源，通過精密的相位累加器和數(shù)字信號處理，通過高速D／A變換器產(chǎn)生所需的數(shù)字波形(通常是正弦波形)，這個數(shù)字波經(jīng)過一個模擬濾波器后，得到最終的模擬信號波形。
DDS系統(tǒng)一個顯著的特點就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外，DDS的固有特性還包括：相當(dāng)好的頻率和相位分辨率(頻率的可控范圍達μHz級，相位控制小于0．09°)，能夠進行快速的信號變換(輸出DAC的轉(zhuǎn)換速率百萬次／秒)。

1 AD9851集成芯片簡介
    AD9851是在AD9850的基礎(chǔ)上，做了一些改進以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相對于AD9850的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是多了一個6倍參考時鐘倍乘器，當(dāng)系統(tǒng)時鐘為180MHz時，在參考時鐘輸入端，只需輸入30 MHz的參考時鐘即可。AD9851是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率／相位寄存器、具有6倍參考時鐘倍乘器的DDS芯片、10位的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個部分組成。其中具有6倍參考時鐘倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、D／A變換器以及低通濾波器集成到一起。這個高速DDS芯片時鐘頻率可達180MHz，輸出頻率可達70 MHz，分辨率為0．04Hz。
    AD9851可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制且穩(wěn)定性很好的模擬正弦波，這個正弦波能夠直接作為基準(zhǔn)信號源，或通過其內(nèi)部高速比較器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)方波輸出，作為靈敏時鐘發(fā)生器來使用。
    AD9851的各引腳功能如圖1所示。

    D0～D7：8位數(shù)據(jù)輸入口，可給內(nèi)部寄存器裝入40位控制數(shù)據(jù)。
    PGND：6倍參考時鐘倍乘器地。
    PVCC：6倍參考時鐘倍乘器電源。
    W-CLK：字裝入信號，上升沿有效。
    FQ-UD：頻率更新控制信號，時鐘上升沿確認輸入數(shù)據(jù)有效。
    FREFCLOCK：外部參考時鐘輸入。
    CMOS／TTL脈沖序列可直接或間接地加到6倍參考時鐘倍乘器上。在直接方式中，輸入頻率即是系統(tǒng)時鐘；在6倍參考時鐘倍乘器方式，系統(tǒng)時鐘為倍乘器輸出。
    AGND：模擬地。
    AVDD：模擬電源(+5 V)。
    DGND：數(shù)字地。
    DVDD：數(shù)字電源(+5 V)。
    RSET、DAC：外部復(fù)位連接端。
    VOUTN：內(nèi)部比較器負向輸出端。
    VOUTP：內(nèi)部比較器正向輸出端。
    VINN：內(nèi)部比較器的負向輸入端。
    VINP：內(nèi)部比較器的正向輸入端。
    DACBP：DAC旁路連接端。
    IOUTB：“互補”DAC輸出。
    IOUT：內(nèi)部DAC輸出端。
    RESET：復(fù)位端。低電平清除DDS累加器和相位延遲器為0 Hz和0相位，同時置數(shù)據(jù)輸入為串行模式以及禁止6倍參考時鐘倍乘器工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 設(shè)計方案
    本設(shè)計方案采用AD9851芯片的并行數(shù)據(jù)模式，系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)包含單片機電路、AD9851芯片、低通濾波器電路、功率放大電路以及信號輸出電路共5部分。其中單片機電路部分選用通用的51系列單片機AT89S52，外部晶振頻率為12 MHz。低通濾波器電路選用無源濾波器來進行設(shè)計，由于本設(shè)計最高輸出頻率為30 MHz，所以低通濾波器的截止頻率在40 MHz左右?；鶞?zhǔn)時鐘采用貼片封裝30．000 0 MHz有源晶振，為AD9851芯片提供高穩(wěn)定度，高精確度的信號源。

2．2 低通濾波器電路的設(shè)計
    低通濾波器電路采用2階LC橢圓低通濾波器，能有效抑制DDS的輸出雜散。電路如圖3所示。

2．3 功率放大電路的設(shè)計
    功率放大電路采用AD828寬頻帶運放芯片。AD628內(nèi)部集成兩個運算放大器，供電方式有雙電源供電和單電源供電兩種，特別適合于高頻信號的變換與傳輸。本設(shè)計中為了提高信號峰峰值的輸出幅度，芯片電源采用雙電源正負10 V直流電源。這樣可以保證在10 MHz的帶寬內(nèi)得到一個相對較高的電壓幅度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 AD9851的復(fù)位工作時序
    AD9851的復(fù)位時序如圖4所示。從時序可以看出，AD9851芯片復(fù)位的條件是在RESET引腳出現(xiàn)一個高電平，并持續(xù)時間至少為trs。根據(jù)手冊提供的時間參數(shù)，可知道trs最短時間是5個系統(tǒng)時鐘，沒有時間上限。由于系統(tǒng)電路中，單片機的晶振采用12 MHz。執(zhí)行一條指令所需要的時間是1μs，為了保證復(fù)位時序的可靠性，采用復(fù)位的時間為10ms。

    具體復(fù)位子程序如下：
   
    該子程序中用到delay_μs()延時程序延時約1μs。
3．2 寫頻率字的工作時序
    寫頻率字的工作時序是AD9851芯片的關(guān)鍵時序，它關(guān)系著信號發(fā)生器功能的實現(xiàn)。并行模式下，寫頻率字的工作時序如圖5所示。

    由時序圖，可以看出：
    在輸出頻率控制字之前。必須完成W_CLK和FQ_UD置低電平的工作；然后依次把5個頻率控制字發(fā)送出去；在發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須嚴(yán)格把握工作時序。tds是數(shù)據(jù)的建立時間，tdh是數(shù)據(jù)的保持時間，twh和twl分別是W_CLK的高電平和低電平的持續(xù)時間，根據(jù)手冊可知，以上4個時間至少為3．5ns。由于S52單片機的晶振比較低，滿足工作時序沒有問題。
    DATA在W_CLK上升沿到來時有效。
    寫頻率控制字的子程序如下：


4 系統(tǒng)測試
    下面是AD9851設(shè)置輸出不同頻率時，通過100MHz泰克示波器觀察到波形圖，如圖6所示。通過其波形圖，可以看出，DDS的輸出頻率在60 MHz以下十分精確和穩(wěn)定，波形比較完美，頻譜比較干凈。設(shè)計頻率在70 MHz時，波形失真越嚴(yán)重，頻譜的各次諧波逐漸增多。并且DDS正弦輸出的幅度隨頻率增高而下降。低頻端約1Vpp，高頻端約200mVpp，實際應(yīng)用中應(yīng)外加合適的寬帶放大器。

5 結(jié)束語
    本文通過通用型單片機AT89S52單片機，完成了基于高精度DDS芯片AD9851的正弦波信號發(fā)生器的設(shè)計與驗證。