基于AD9951射频正弦波信号发生器的设计

1 引言
    现代通信技术、雷达技术、电子测量以及一些光电应用领域都要求高精度、高稳定度、高分辨率的射频正弦波信号。有别于传统的模拟射频振荡器方式，直接数字频率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)有着显著的优点：频率稳定度高、频率精度高、易于控制。

2 系统工作原理
    直接数字合成技术(DDS)是一种有别于传统模拟正弦信号发生技术的全新数字控制技术，其基本原理如图1所示。

    正弦波信号y=sinωt是一个非线性函数。要直接合成一个正弦波信号，首先应将函数y=sinx进行数字量化，然后以x为地址，以y为量化数据，依次存人波形存储器。DDS使用相位累加技术控制波形存储器的地址，在每一个基准时钟周期，都把一个相位增量加到相位累加器的当前结果。相位累加器的输出即为波形存储器的地址，根据相位累加器输出的地址，由波形存储器取出波形量化数据，经D／A转换器转换成模拟电流，再经运算放大器转换成模拟电压，通过改变相位增量即可改变DDS的输出频率值。
    采用直接数字合成技术(DDS)设计的信号发生器与传统信号源相比具有以下优点：
    (1)频率稳定度高其频率稳定度取决于所使用的参考频率源的稳定度，常见晶振的稳定度可达几个ppm量级；
    (2)频率精度高目前常见的DDS器件的频率分辨率可达32位；
    (3)易于控制直接通过数字接口就可以对频率、幅度、相位等进行控制。
    射频正弦波发生器系统的工作原理是基于DDS的信号产生方式，通过低通滤波器和放大器提高射频信号的频率特性和驱动能力，通过控制器和一些外围配套器件完成对DDS器件的接口控制。

3 系统硬件设计
    该系统硬件设计主要包括直接数字合成器(DDS)、低通滤波器、增益可调放大器、控制器和电源。该系统结构框如图2所示。

3．1 直接数字合成正弦波发生器
    根据系统设计指标，选用DDS器件AD9951，其内部时钟可达400 MHz，频率调节字为32位，14 bit的D／A转换器输出，具有较低的相位噪声和较高的动态范同，内部包含锁相环电路可实现×4～×20的倍频功能，通过SPI接口可以实现控制字和频率调整字的写入，实时调节信号频率和幅度。
3．2 低通滤波器
    根据DDS的工作原理，直接产生的D／A转换器输出信号必然包括所要求的频率和其镜像频率以及谐波频率等，因此在输出端必须采用低通滤波器进行滤波，根据Nyquist原理，通常只有器件工作时钟频率一半以内带宽的频率不受镜像频率的影响。
    滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器由于受放大器带宽和增益的限制，主要用于低频滤波器设计中：高频滤波器则主要使用无源滤波器。无源滤波器主要分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆滤波器，图3对三者进行比较，由于椭圆滤波器在过渡区具有快得多的衰减速率，因此在该设计中选择椭圆滤波器。

    根据系统指标要求，在DDS器件后加入170 MHz椭圆低通滤波器，经GENESYS软件仿真，结果如图4所示。

3．3 数字增益可调放大器
    采用数字控制增益、宽波段放大器MAX2055。器件内部由阻抗匹配网络、数控衰减器和放大单元组成。其频率范嗣为30～300 MHz，-3～20 dB增益可调，并适用于50 Ω网络。通过B0～B4数字控制信号即可实现增益可调。
3．4 控制器
    控制器主要实现与计算机的通讯，控制正弦波发生器的频率、幅度和放大器的数字增益。采用RS232 与计算机进行通讯，可方便设定和读取当前频率值，输出功率控制大小。选用80C51微控制器P89LV51RD2，该器件包含64 KB Flash和1 KB的RAM，同时包含SPI、UART接口和丰富的I／O端口线。支持ISP(在线编程)，可方便地通过串口进行程序烧写。图5为控制器在整个系统中的功能框图。

3．5 电源部分
    电源部分对各器件数字电源和模拟电源供电。

4 系统测试和分析
    在完成系统设计和制作调试后对射频信号输出进行了性能测试。测量仪器型号为Anistu MS2034A，其频谱分辨率RBW为10 Hz，频率跨度span为200 kHz。DDS外部接石英晶振的频率为25 MHz(精度为10 ppm)，PLL为14，系统时钟为350 MHz，数字可编程放大器增益为18 dB。(注：该仪器绝对幅度精度功率电平(≥-50 dBm，≤-35 dB输入衰减，预关，10℃～55℃)：100kHz～≤10 MHz，±1．5 dB；>10 MHz～4 GHz，±1．25 dB)表l为各个设定频率点对应的实际测量频率值和功率值。

    从表1可看出：
    (1)信号功率特性 随着输出信号频率的提高，信号功率下降．大体趋势与sinc函数吻合，考虑到放大器和变压器的高频衰减以及分立元件的高频特性影响，可以看出测量值基本符合规律。
    (2)信号频率稳定 度输出频率的稳定度和精度主要由晶振稳定度和精度决定，该系统选用频率为25 MHz(精度为10 ppm)无源石英晶振，则对应输出信号的频率稳定度为f/25×10 ppm，可得频率稳定度优于50 ppm。可使用高精度高稳定度时钟参考源提高整个系统的射频信号输出频率精度和稳定度。
    (3)信号带宽通过Anistu MS2034，频谱分辨率RBW为10 Hz，频率跨度span为200 kHz的测量，可以从信号频谱图中发现信号输出频率约为几赫兹。

5 结论
    设计一种基于DDS器件AD9951的射频正弦波信号发生器，通过设计、制作和调试，所得实验结果较好，随后进行分析，提出了改进意见。该系统对高性能射频信号发生器的设计具有参考价值。