基于AD9951键控信号源设计

    直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)技术，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，与传统的频率合成技术相比，它具有频率分辨率高、频率切换时间短、相位变化连续及相位噪声低等突出优点。本设计采用一块DDS芯片AD9951，设计了一型高性能数字信号源。系统主要指标：由按键设置输出信号频率，频率范围O．1kHz～80MHz，频率分辨率为0．04Hz，频率稳定度为10-6，相位噪声小于等于一120 dBc／Hz，由按键选择输出波形为三角波或方波或正弦波。

1 DDS基本原理
    DDS基本原理如图1所示。

    DDS以数控振荡器的方式产生频率相位可控的正弦波，主要由系统时钟fc、频率控制寄存器、相位累加器、正弦查询表、模数转换器、低通滤波器(LPF)组成。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦查询表则对该相位值计算数字化正弦波幅度(芯片一般通过查表得到)。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D／A转换器和低通滤波器能得到一个可用的模拟频率信号。DDS输出信号的频率fo是系统时钟fc，频率转换字FTW，以及相位累加器的位数N的函数。
    fo=(fc×FTW)／2N
    当FTW=1时，系统输出频率即为频率分辨率△f=fs／2N，通常DDS的相位累加器位数N都取得很大(32～48)，因此可以得到很高的频率分辨率。DDS最大输出频率为fc／2。

2 AD9951芯片的主要功能特点
    AD9951是Analog Device公司2003年推出的一款高性能DDS芯片，具有优良的动态性能，最高400 MHz内部工作频率，因此可以输出最高频率200 MHz的信号，内置14位高速DAC，32位频率控制字，相位噪音小于等于120 dBc／Hz@1 kHz，串行I／O控制，1．8V低电压供电，支持常用的5V逻辑电平，支持时钟倍频模式(4倍频至20倍频可编程设置)，支持内部振荡器与外接振荡器两种模式，具有相位调制能力。AD8851内部原理框图如图2所示。

    AD9951具有6个寄存器：0x00控制寄存器1(CFRl，4个字节)，Ox01控制寄存器2(CFR2，3个字节)，Ox02振幅比例因子(ASF，2个字节)，0x03振幅斜率(ARR，1个字节)，0x04频率控制字(FTW，4个字节)，0x05相位偏移字(POW，2个字节)。

3 系统硬件设计
3．1 系统总体设计
    系统总体设计框图如图3所示。

    本系统核心芯片是AD9551，主控制器是SCT89C52，由于AD9951使用串行I／O控制口，对于接口资源较少的51系列单片机，完全可以很好地实现对DDS芯片的控制，本设计通过矩阵键盘置入波形、频率等信息，1602液晶实现频率、波形实时显示，人机界面友好。低通滤波器模块选用七阶椭圆低通滤波器，其电路图如图4所示。放大电路、积分电路选用150 MHz宽带运放AD8044，比较电路选用专用比较器MAX9011，通过以上器件可以很好地完成对于最高达到80 MHz高频信号的处理要求。另外通过单片机PO．6，P0．7口控制继电器1和2可以实现对于输出信号波形的选择(见表1)。

3．2 核心原理图
    核心原理图如图5所示。

    AD9951工作模式配置为单频模式(Single Tone Mode)，只需将控制寄存器1(CFRl)、控制寄存器2(CFR2)、频率控制字(FTW)配置完毕，系统即可工作。AD9951支持两种时钟输入模式，既可以使用芯片内置振荡器，也可以外接有源晶体振荡器，在本设计中，启用芯片内置振荡器(CLKMODESELECT管脚置高电平)，外接20 MHz无源晶振。AD9951内置锁相环(PLL)，支持通过设置CFR2<7：3>对输入时钟进行4×～20×倍频作为系统时钟，在本设计中，为降低振荡器频率，从而降低其对信号干扰，应该对时钟进行一定倍频，而如果倍频过高，会是芯片发热量增大，综合以上两个方面考虑，本设计采用10×倍频(CFR2<7：3>设置为0xOA)，系统时钟200 MHz，理论最大输出频率100 MHz。与一般DAC不同AD9951内置DAC将模拟电源作为参考点，因此输出口OUT需要经上拉电阻连接A1．8 V。AD9951支持2线(2一wire)与3线(3一wire)两种串行接口模式，本设计选用芯片默认2线模式，与串行传送相关接口为39管脚CSB、36管脚RE—SET、37管脚IOSYNC、1管脚IOUPDATE、40管脚SCLK、41管脚SDIO，分别接单片机P0．0至P0．5口。AD9951串行口工作具有严格时序逻辑，其写入时序如图6所示。

4 系统软件设计
4．1 系统程序框图
    系统程序框图如图7所示。

4．2 核心部分程序
    本设计程序的核心在于单片机向AD9951写入频率控制字FTW，下面给出其C程序代码(省略部分非关键语句)。

5 结 语
    利用DDS技术可产生高稳定度的正弦波，该系统利用单片机对DDS芯片AD9951进行控制，简单方便，易于操作。同时该系统具有良好的扩展空间，在仅仅改动软件的情况下就可以对输出信号进行调幅调相，在对硬件进行稍稍改动即可完成模拟调频，OHK，FSK。总之在数字信号源设计中使用DDS芯片是信号源设计的重要方向。DDS芯片具有精度高，频率范围宽，频率转换时间短，体积小，功耗低，可编程的特点是当前研制信号源的关键技术。