摘要 系統採用基於DDS工作原理的AD9851，以單片機為控制核心，設計了可產生頻率可調的穩幅高精度正弦波、方波信號發生器。輸出級通過橢A濾波器去除高頻噪聲以穩定信號，並採用乙類推免功率放大器電路以提高系統的負載能力。闡述了晶片與外部電路接口的硬體結構並作出詳細的系統測試。該設計在50 Ω負載下，輸出峰-峰值0～20 V連續可調，整個系統電路簡單、功能強大、可擴展性強。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/307486.htm信號發生器是測量應用中的基礎儀器，隨著現代測試對象的逐漸多樣和數位技術的進步，信號發生器擁有更廣的應用和更快的發展。其中正弦信號發生器能滿足測試系統的多種要求，是電子技術領域中最基本的電子儀器，廣泛應用於電子測控、電子通信系統和航空測試等各個科研領域。
直接數字頻率合成(Direct Digital Synthesis，DDS)以固定的精確時鐘源為基準，利用數字處理模塊產生頻率和相位均可調的輸出信號技術。作為一種新興的頻率合成技術，其具有頻率解析度高、頻率切換速度快、切換相位連續、輸出信號相位噪聲低、可編程、全數位化、易於集成、體積小和重量輕等優點。在超大規模集成電路和微電子技術的發展下，現代體積小且性能高的產品正迅速取代傳統的模擬信號頻率合成技術，成為解決此類問題的新方案。
1 DDS工作原理
DDS由相位累加器、正弦查找表、DAC和低通濾波器組成。參考時鐘是一個穩定的晶振，相位累加器類似計數器。在每個時鐘脈衝輸入時。它就輸出一個相位增量，即把頻率控制字FSW的數據變成相位抽樣來確定輸出頻率。相位增量隨指令FSW的不同而不同，用在數據尋址時，正弦查表就把存儲的抽樣值轉換成正弦波幅度的數字量。DAC把數值量變成模擬量，低通濾波平滑地濾掉帶外雜散後，得到所需波形。
2 方案比較
方案1 數字鎖相環式頻率合成技術實現。一個典型的直接式鎖相環頻率合成器由參考振蕩源、參考分頻器、鎖相環3部分組成。鎖相環在VCO輸出端和鑑頻器的輸入端之間構成的反饋迴路中加入了一個可變分頻器。改變分頻比N，即可達到輸出不同頻率f0的目的，從而實現由fR合成f0。在該電路中，輸出頻率點間隔△f=fR。這種鎖相倍頻電路必須通過減小輸入頻率fi來減小頻率間隔，這會導致頻率轉換時間增加。而輸出頻率有較大的變化範圍，輸出間隔和頻率轉換時間同時減小是矛盾的。且輸出頻率變化會使N隨之變化，從而環路增益也將大幅變化，造成環路的動態特性急劇變化。
方案2 FPGA實現。在FPGA的內部建立一個正弦信號的數據表。然後在外部時鐘的驅動下，讀取正弦信號數據表中的數據，再送到高速DAC中進行數模轉換就可得到正弦信號。採用FPCA產生的正弦信號頻率和幅值的穩定度高，但由於FPGA工作頻率通常不能過高，所以輸出頻率範圍不夠寬。
方案3 採用直接數字頻率合成的專用晶片實現。在參考時鐘控制下，頻率控制字由累加器得到相應的相位數據，把此數據作為取樣地址，來尋址正弦ROM表進行相位-幅度變換，即可在給定的時間上確定輸出的波形幅值。模擬量形式的目標合成頻率信號由DAC將數字量形式的波形幅值轉換而成，結合低通濾波器濾除不需要的取樣分量，最後連續變化的輸出正弦波就由頻率控制字決定。該方案具有頻譜純度高、集成度高等特點。由於AD9851自帶有32位相位累加數控振蕩器，就可以產生低相噪、高穩定的頻率輸出波形。不但輸出頻率範圍寬，且頻率解析度也高。
3 參數計算
3.1 DDS參數計算
前提選用一個30 MHz高穩定有源晶振，既保證了輸出頻率穩定，減小了高頻輻射，也提高了系統的電磁兼容能力。
AD9851的相位累加器為32位，在參考時鐘fs一定的情況下，只要改變AD9851頻率控制FSW便可得到要求輸出頻率f0，它們之間的關係為
3.2 調製度ma的計算
kn是比例係數，即單位調製信號引起的幅度變化;U0是調製信號的直流成分;Ucm，ωcm分別表示載波的幅度與角頻率;UΩ，ω分別表示調製波的幅度與角頻率
其中，Up為調幅包絡的峰值;Uv為調幅包絡的谷值。設計中Up為2 047，通過改變調製波的幅值UΩ(UΩpp/2)來達到ma在10%～100%之間、步進10%調節的目的。
3.3 最大頻偏△f的計算
模擬調頻波(FM)的表達式為
其中，K為FM信號的頻率控制字;Kcm為載波信號的頻率控制字;△f為最大頻偏，λ=fc/2為與系統時鐘頻率fc和累加器位數N有關的一個常數。這樣就可以由調製信號的頻率推得信號的頻率控制字。
4 硬體電路設計與實現
4.1 直接數字頻率合成模塊
系統通過單片機控制AD9581頻率控制字實現頻率合成。調製正弦波信號經A/D採樣並行輸入改變DDS晶片頻率控制字就可實現調頻，基本不需要外圍電路，且大頻偏可由軟體設定。
4.2 低通濾波電路模塊
考慮到AD9581的輸入信號中帶有高次諧波分量，系統在AD9581輸出端加入了40 MB橢圓低通濾波電路。在階數相同的條件下，橢圓低通濾波器比其他濾波器擁有更小的帶通和阻帶波動，設計電路如圖1所示。
4.3 幅度、調幅、調頻、調相控制模塊
經過濾波的DDS信號作為AD539的Vy1輸入。單片機給DAC0832控制字，可產生直流電位，作為AD539Vx1輸入，AD539可對DDS信號進行數控幅值放大。
經過濾波的DDS信號作為載波輸入AD539的Vy1。單片機給DAC0832控制字，可產生固定電位+正弦波，作為AD539Vx1輸入，AD539可以輸出AM波。由公式可計算得出頻率控制字，通過單片機把頻率控制字寫入AD9851就可以產生FM波。
4.4 功率放大模塊
功率放大部分採用TI公司的THS3001雙運放±15 V供電，420 MHZ帶寬(C=1，39 dB)，在1 Hz～15 MHz滿足本系統的帶寬要求，且輸出電流可達100 mA，再配合乙級功放放大，達到中頻區輸出峰峰值為24 V或採用電流反饋型寬帶運放AD812。
4.5 峰值檢波和自動增益控制模塊
利用檢波二極體對輸出信號檢測，得到與信號峰值成比例的直流信號再經運放調整比例係數。TLC2543分別將峰一峰值得到的直流電平轉化為數位訊號輸入MCU，再由MCU控制DAC0832的直流電位，最終達到峰值的穩定。
電源採用THB-20環形變壓器，通過變壓、整流、濾波、穩壓，可提供±15 V和+5 V穩定輸出。
4.6 人機接口模塊
人機接口包括鍵盤和顯示模塊。系統需要16個按鍵，ZLG7290B能夠直接驅動8位共陰式數碼管，同時還可掃描管理多達64隻按鍵，鍵位示意如圖4所示。
顯示部分採用LCD240128A熱致液晶型圖形點陣式顯示模塊。其由型液晶板、液晶顯示控制器、液晶驅動器、背光板等組成。LCD240128A模塊內部包含具有8位元組的字符發生器CGROM，可外接8 kB的RAM作為外部的顯示緩衝區及字符發生器CGROM的液晶驅動控制器，常在智能式電子儀器中用作顯示器，以顯示各種圖形和文本信息。
5 系統測試
5.1 測試方法
本文以正弦信號的產生為例，給出詳細的測試數據並做出分析。
模塊測試：將系統各模塊分別測試，調通後再進行整機調試。
系統整體測試：將硬體和軟體進行系統整機測試。依據設計要求，分別對輸出波形、輸出電壓峰-峰值、輸出頻率和功率放大器輸出測試。
測試輸出電壓的峰-峰值時，對放大電路和AGC電路參數適當調整，使輸出頻率在10 Hz～15 MHz之間變化時能夠滿足Vpp≥5 V。
5.2 測試數據
正弦波頻率範圍測試接50 Ω負載，對輸出電壓測試，測試數據如表1所示。
負載為50 Ω採用頻率計對輸出正弦波進行計數，測試數據如表2所示。
5.3 測試結果
正弦波輸出頻率1 Hz～37 MHz低頻部分低於1 kHz，高頻部分高於10 MHz。通過DDS比較器可得到1 Hz～9 MHz方波。
具有Hz，10 Hz，100 Hz，1 kHz，10 kHz，100 kHz，1 MHz這7種步進模式輸出信號頻率穩定度10～5，優於10～4。在50Ω負載上的電壓峰-峰值1 Hz～4 MHz範圍內Vpp≥4 V，4 Hz～15 MHz範圍內Vpp≥5 V，15～27 MHz範圍內Vpp≥1 V，27～37 MHz範圍內Vpp≥0.36 V。用示波器觀察，1 Hz～27 MHz範圍內無明顯失真，27～37 MHz範圍信號內邊緣略有抖動。
實現數字控制幅值，幅值設置精確到小數點後一位，並採用自動增益控制電路，可得到穩定的0～6 V幅值輸出。
存在人為誤差、系統誤差、測量誤差和外界幹擾誤差，可通過修改電路，使用更高性能晶片，提高儀器精度，減少外界幹擾等方面來改善。
6 結束語
使用DDS技術的信號是無任何反饋環節的一個開環系統，其產生的波精度高且誤差小。因為DDS的數字處理延時是主要頻率轉換時間，通常僅為ns量級。輸出解析度在參考時鐘頻率和相位累加器的位寬滿足一定的要求時可以微小。本設計有效解決了數字鎖相環式頻率合成技術，在高解析度和快速轉換速度之間的矛盾，避免了傳統方式轉換時間長的問題。DDS在改變頻率時只需改變頻率控制字，而無需改變原有的累加值，故改變頻率時相位是連續的。然而，由於DDS存在頻率升高時雜散和噪聲也會增大的固有缺陷，且實際情況中任意波發生具有特殊性，所以DDS技術還有待提高。