基于AD9850的多功能信号源设计

摘要 ：AD9850以芯片为多功能信号源频率合成核心，以单片机(89C52)为控制和数据处理核心，实现了正弦波、方波及AM、FM、ASK、FSK、PSK 等调制波形的产生和输出。结合键盘和显示部分，实现了任意频率值的选择和显示，构成了一个完整实用的信号发生器。该信号发生器可在10 Hz～40 MHz范围内实现任意频率的输出，步进值和输出幅值可调。经过对系统的最终测试与实验数据分析表明，该系统具有稳定性好、精度高、且范围宽等优点。

直接数字合成技术(Direct Digital Synthesizer，DDS)是由一个参考频率源产生多种频率的技术，其采用数字信号控制的相位增量，具有频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可编程、全数字化易于集成等优点。因此，得到了广泛的应用。本文提出了以直接频率合成芯片AD9850为核心的多功能信号源的设计方案，给出了实现多种信号生成的具体方法。

1 直接数字频率合成原理及构成

AD9850是美国AD公司推出的高集成度频率合成器，内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，其由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，将相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端，累加寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制数据相加。这样，相位累加器在参考时钟的作用下进行线性相位累加，当相位累加器累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期性的动作，这个周期就是DDS合成信号的一个频率周期，累加器的溢出频率就是输出的信号频率。相位寄存器的输出与相位控制字相加后，可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表将输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC以输出模式量，实现正弦信号的合成。

相位寄存器每经个fc时钟周期后回到初始状态，相应地，正弦查找表经过一个循环回到初始位置，DDS输出一个正弦波。输出的正弦波周期为

频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为

M=(fout·2N)/fc， 0≤M≤2N-1 (3)

其中，N是相位累加器的字长;M是频率控制字的字长;fc是晶振频率;fout是输出频率，从式(1)～式(3)可看出频率控制字与输出信号频率成正比关系。相位累加器输出位并不全部加到查询表，而要截断。相位截断减小了查询表长度，但并不影响频率分辨率，对最终输出仅增加一个较小的相位噪声。DAC分辨率一般比查询表长度小2～4位。通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为

接上精密时钟源并写入控制字后，AD9850就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。如果经过内部高速比较器转换后则可得到方波输出。一个基本的DDS结构，主要由参考时钟、相位累加器、相位调制器、ROM查找表、D/A转换器(DAC)和低通滤波器(LPF)构成，如图1所示。

2 多功能信号源的总体设计

2.1 系统总体设计框架

为实现多功能常用信号源的设计要求，选用AD9850为频率合成核心芯片，AD9850是一个运用先进的DDS技术，并结合集成在一片芯片内的高速、高性能的D/A转换电路和比较器构成一个完全数控的可编程频率合成器，且具有时钟产生功能的高度集成芯片。当有一个精确时钟源作为参考频率源时，AD9850 能产生一个频谱很纯的频率或相位可编程的模拟正弦波输出。对于125 MHz参考时钟，AD9850能产生一个32位频率调整控制字，其导致一个0.029 1 Hz的输出调谐频率分辨率。另外，AD9850采用先进的CMOS工艺，在3.3 V供电时其功耗仅为155mW。

将单片机实现对DDS的控制与微机实现的控制相比，具有编程控制简便、接口简单、成本低、容易实现系统小型化等优点，因此采用STC89C52单片机作为系统控制芯片，主要功能是完成对外部信号的采样、运算、频率控制，键盘数据接收、数据传输等;矩阵键盘用于进行正弦波、方波频率参数设定;各个信号的输出选择，频偏、调制度的设定以及其他功能设置;按照指标要求可完成正弦波、方波、FM波、AM波、PM波的输出。系统总体框架如图2所示。

2.2 单片机与DDS芯片的连接方式

AD9850的40位频率/相位控制字可通过并行或串行两种方式送入器件。选用并行传输方式，充分发挥芯片AD9850的高速性能。在并行方式下连续输入 5次数据，每次输入8位(1 Byte)，将40位频率/相位控制字送入器件。系统中，单片