用DDS芯片AD9835开发的频率信号发生器

摘 要： 介绍了一种DDS专用芯片AD9835，并利用该芯片设计了一种高频率信号发生器，讨论了DDS芯片的基本原理、应用及其与计算机、单片机的接口。并对实际结果进行了分析。
关键词： 频率合成DDS 信号源 调制

高测量往往需采用高、高稳定性、高分辨率的频率信号源。采用多个锁相环构成的频率合成器，电路复杂、价格昂贵，且信号建立时间长、动态特性较差。近年来发展起来的直接数字式频率合成器(DDS)采用高速数字电路和高速D/A转换技术，具有以往频率合成器难以达到的优点，如频率转换时间短(＜20ns＝、频率分辨率高(0.01Hz)、频率稳定度高(10-7至10-8)、输出信号频率和相位可快速程控切换等，因此可以很容易地对信号实现全数字式调制。而且，由于DDS是数字化高密度集成电路产品，芯片体积小、功耗低，因此可以用DDS构成高性能频率合成信号源而取代传统频率信号源产品。
我们采用Analog公司的AD9835 DDS专用芯片设计了一种由单片机及计算机控制的合成信号源，主要技术指标如下：
频率范围：0.1Hz～10MHz
频率分辨率：0.1Hz
频率稳定度：1×10-7
输出幅度：0～±10V可调
输出波形：正弦波、方波(TTL电平)、PSK、FSK、扫频本信号源有可以任意切换的两种控制方法：一种是用PC机上的并口传递控制指令及参数，为此我们用VB编写了Windows 9x操作系统下的控制界面，通过该程序可以非常容易地设定各种控制参数；另一种是用单片机控制，通过面板按钮设定参数和选择功能菜单，便于野外脱机使用。

DDS芯片AD9835原理框图如图2所示。

它有一个32位相位累加器，两个32位频率寄存器F0和F1(用于设定K值)，四个12位相位寄存器P0、P1、P2、P3。程控切换F0、F1时，可实现FSK和扫频功能；程控切换P0、P1、P2、P3时，可实现相位PSK调制。余弦函数表储存在ROM中。
32位相位累加器的输出值截取高12位后与12位相位寄存器Pi值相加，构成12位的相位地址，去寻址余弦ROM表。寻址得到的幅度值经10位的高速D/A转换后成为合成余弦信号。输出信号S对所有DAC输出噪声N之比SNR主要与D/A的位数有关，即与数字量化噪声有关。理论分析可知10位D/A的SNR可达60.2dB，AD公司资料给出的AD9835实际SNR优于50dB。输出信号总谐波分量畸变量与两主号频率之比m＝fmc/f有关，m值越大，谐波畸变越小；m值较小时，谐波畸变较大。为消除m较小的谐波畸变，输出端采用LC高阶低通滤波器滤除高次谐波。本例中使用的是5阶Butterworth低通滤波器，可以将50MHz以上的高次谐波降低至-60dB，完全满足高信号源的要求。
图3中引脚FSELECT、PSEL0、PSEL1是外加调制信号，可用于对DDS进行直接位控调制，实现数字二值调频(FSK)和数字四值调相(PSK)。引脚FSYNC、SCLK、SDATA用来对DDS进行程控工作模式设定。数据传输方式为同步串行方式。图3中，AD9835可以设定为SLEEP、RESET工作方式，在SLEEP工作方式下，功耗仅为1.75mW。

图7为PSK相位跳变时的波形实测图，相位跳变值为90度，从波形可以看出，相位跳变的瞬时性和准确度非常好。可以控制相位是DDS的一个突出优点，也是其它频率合成手段难以达到的。
图8为合成器输出频率从频率寄存器F0跳变到F1时的瞬态波形，波形衔接得非常好，中间没有控制失调的过渡带出现，这也是DDS的突出特点。

图9为FSK调制波形。
DDS合成信号源具有高稳定性、高、高分辨率、高速建立信号等突出优点，是信号源发展的方向，在电子对抗、通讯与测量等许多方面都有重大的应用价值。用DDS与PLD等芯片组合集成的专用ASIC信号源芯片、微型程控式任意波形信号源专用芯片也即将问世，这将是信号源技术的一大革命。利用砷化镓及其它高速材料和技术，可以使DDS频率进一步向高端延伸，从而使其在软件无线电方面具有重要的意义。