基于AD9951的通用信号源设计

高的频率信号源对通信系统、电子对抗以及各种电子测量技术十分重要[1-3]。随着电子技术的发展，对信号源频率的稳定度、准确度，以及频谱纯度提出了越来越高的要求。直接数字频率合成技术(Direct Digital Fre-quency Synthesis，DDS)，是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。和传统的频率合成技术相比，他具有频率分辨率高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点。DDS将先进的数字处理技术与方法引入信号合成领域，成为现代频率合成技术中的佼佼者，得到了越来越广泛的应用，成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。

1 DDS基本原理

DDS以数控振荡器的方式产生频率、相位可控制的正弦波，主要由基准时钟?s、相位累加器、幅度／相位转换电路、D／A转换器和低通滤波器(LPF)组成。他采用数字技术重复扫描存储器来获取数据，构筑出所希望的波形。DDS的结构有很多种，其基本的电路原理如所示。

DDS工作原理[1]是基于相位和幅度的对应关系，通过改变频率转换字来改变相位累加器的累加速度，然后在固定时钟的控制下取样，对取样得到的相位值，通过相位幅度转换得到与相位值对应的幅度序列，幅度序列再通过数模转换得到模拟形式量化的正弦波输出。其输出频率为：

其中N为相位累加器的位数；FTW为频率转换字，?s为时钟频率。式中，FTW由外部控制电路预置，当时钟频率?s与N一定时，输出频率?o仅仅取决于FTW的值。

当FTW=1时，DDS所能产生的正弦信号的频率，即频率分辨率为：

DDS输出频率由Nyquist采样定理决定，即?s／2。

事实上，在DDS的实际应用系统中，相位累加器的所有输出位并没有全部送到查找表，一般只取高位，这样既减少了查找表的规模，又不影响系统的频率分辨率。这个相位输出给的输出只带来小到可以接受的相位噪声，相位噪声基本上来源于参考时钟。在DDS系统中，重要的是对带宽和频率纯度之间的折中。如果时钟频率降低，则Nyquist频率下降，带宽减小，同时D／A变换器的分辨率提高，这样就可以得到更高的频谱纯度。所以，对DDS输出频率分频就可以减小带宽并且提高频谱纯度。模拟信号频谱纯度主要取决于D／A变换器的性能。

2 直接数字频率合成器AD9951

2.1 AD9951功能特点

AD9951数字直接频率合成器[4]是高度集成化芯片，他采用了先进的DDS技术，结合内部高速、高性能D／A转换器，形成可编程、可灵活使用的频率合成功能。当提供给AD9951的时钟源频率时，AD9951将产生高稳定、可编程频率相幅的正弦波，作为信号源可广泛应用于通信工程、雷达以及许多其他设施。AD9951使用先进的CMOS技术，使得提供给这个高性能芯片的工作电压仅为1.8 V。

AD9951的主要特点如下：400 MHz内部时钟；集成化14位D／A输出；32位频率转换字；良好的动态性能；在160 MHz输出时，具有大于80 dB SFDR；4～20倍可编程参考时钟倍乘器；支持5 V数字输入；具有相位调整功能；多片同步功能；串行I／O控制；48脚TQFP封装。

2.2 AD9951引脚功能

AD995l的引脚排列如所示。他采用TQFP封装。

3 通用信号源设计

3.1 硬件电路

系统总体结构如所示，主要由频率合成模块(AD9951)、控制模块(AT89C51)、信号整形及输出模块(AD7852、滤波、放大和比较电路)组成。频率合成模块是系统的部分，控制模块的主要任务是完成频率控制字和控制信号的置入，信号整形及输出模块主要完成滤波和放大功能，使输出符合信号源的要求。

硬件电路以AD9951为部件。AD9951内部寄存器的配置需要有专门的外部控制电路来对其进行操作，完成相应功能。单片机体积小，可简化外围电路结构从而使系统结构简单，并且实时控制功能强大，使用方便，可用各种单片机开发工具来编程设计，所以选用AT89C51单片机来控制AD995l的运行。单片机对AD9951的主要操作有片选(CS)使能、串行数据(SDlO)、串行时钟(SCLK)及I／O更新信号。AD9951与AT89C51的接口电路如所示。

AD9951内部寄存器配置完成后，就会按照相应工作模式输出一定频率(由FTW值决定)的正弦信号，幅度约100 mV左右。输出正弦波经过滤波器进行滤波后输出纯净的正弦波。同时，该信号送到放大器，放大器的输出经过电平转换作为比较器的一路输入，比较器的另一路输入是D／A输出电压，该电压对应输出脉冲的占空比。当D／A输出电压为零时，输出为标准方波；当D／A输出电压不为零时，输出为脉冲波。信号整形及输出电路如所示。

3.2 软件编程

软件编程的主要工作是按照一定的时序逻辑，将数据写入AD9951内部寄存器。虽然AD9951寄存器的配置灵活，但基本的工作流程不变。在处理器初始化后，应写入合适的指令以初始化AD9951，完成各寄存器的配置。结合硬件电路给出了相关寄存器的操作程序如下：

4 结 语

本文给出了一种基于AD9951的通用信号源设计方法。在完成硬件设计的基础上，通过设计控制程序可实现频率可控、幅度可调的正弦波、标准方波和脉冲波的输出。通过示波器观察，可以看到清晰的输出波形。通过改变频率控制字输入，可得到不同频率的稳定信号。实验结果表明该电路设计正确，为下一步的工作奠定了基础。在硬件上，可以对外围器件进行扩展，实现调幅、调频、调制输出等多种功能，加上键盘和显示器就是一个通用的多功能信号发生器。在软件上，可以扩展应用程序，从而实现对多种功能的处理。

  

参考文献:

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