AD9850实现嵌入式信号源设计

该信号源由MSP430F149单片机、DDS芯片AD9850、低通滤波器(LPF)、4×4软键盘、1602液晶显示屏和外部参考时钟源、宽带放大器和稳压电源等组成。其中，低通滤波器是信号源中的关键器件，负责滤除正弦输出信号中的高频、杂散信号和谐波信号;稳压电源的+5 V电压经过电平转换后为MSP430和AD9850提供+3.3 V的电源电压;外部参考时钟源选用30 MHz有源晶振，MSP430F149与AD9850采用串行通信方式连接。

1.3 硬件设计

该信号源选用MSP430F149作为核心控制器，为了节省I/O资源，方便系统功能扩展，MSP430与DDS芯片AD9850之间采用串行通信方式，接口电路如图3所示。AD9850与外围元件的硬件连接图如图4所示，AD9851的正弦输出信号端IOUT接至外部的低通滤波器，滤除高频杂散和谐波后，一路信号经过宽大放大器AD811放大后输出需要的正弦信号，另一路再回接到AD9851内部比较器的正向输入端(VINP)以得到方波信号。其中：DGND为数字地;AGND为模拟地;VCC为模拟部分的电源电压;VDD为数字部分的电源电压。D7，FQ_UD，W_CLK，RESET分别接至MSP430的P3.0，P3.1，P3.2，P3.3上。为降低噪声信号对放大器的影响，在低通滤波器与宽带放大器之间接一级高速电压跟随器隔离，AD9850的输出信号峰峰值为1～2 V，为增大AD9850输出信号幅值，采用单位增益带宽为140 MHz，Sr=2 500 V/μs的高速宽频带运放AD811进行信号放大，并且通过调节反馈电阻来改变增益，从而调节输出信号幅度。放大电路的最大放大倍数，可以满足一般的应用需求。

1.4 低通滤波器设计

低通滤波器是直接数字频率合成器的重要组成部分，其性能的优劣直接影响整个直接数字合成器的特性。在整个DDS实现过程中，低通滤波器除了滤掉高频信号之外，还有除去杂散的作用。DDS的杂散主要来源以下三个方面：

(1)ROM幅度量化误差：相位转化为幅度，是通过寻址ROM实现的，然而ROM地址中存有的波形幅度值字长是有限的，ROM存储能力有限而引起的舍位误差就是幅度量化误差;

(2)相位截断误差：为了提高DDS的精度，DDS的相位累加器位数都取得非常大，但ROM的容量是有限的，因此只利用相位累加器的高M位ROM寻址，其低(N-M)位被截断。由此引入的截断误差是DDS杂散的主要来源;

(3)DAC的转换误差，即DAC中非线性引起的转换误差：DAC有限的分辨率、非线性特性以及转换过程中出现的尖峰脉冲均会导致频谱质量变坏。因此，低通滤波器的使用是非常必要的，其性能的优劣直接关系到整个DDS的技术指标。

低通滤波器可以分为巴特沃什滤波、切比雪夫滤波、贝赛尔滤波和椭圆滤波等。巴特沃什低通滤波器通带和阻带都是平坦的，但是其过渡带太过平缓;切比雪夫低通滤波器的通带是等波纹抖动的，阻带是平坦的，过渡带比巴特沃什稍陡;贝赛尔低通滤波器和切比雪夫低通刚好相反，通带平坦，阻带是等波纹抖动的;椭圆低通滤波器的通带和阻带都是抖动的。但是其过渡带下降迅速，过渡带很窄。在该系统中，为了使输出信号频率最高10 MHz时能够最低程度地降低AD9850外部系统时钟30 MHz的干扰，采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波。根据系统要求，输出信号的频率可达10 MHz，设定其通带为10 MHz，且7阶滤波具有下降速度更快的过渡带，可以有效地滤除10 MHz以上的高频干扰。考虑到实际的椭圆滤波器设计与理论分析是有所不同的，在此使用Multisim 9经行仿真后得出椭圆滤波器的具体参数。椭圆低通滤波器的电路图如图5所示。

2 系统软件设计

软件设计主要分为菜单操作和频率控制值计算两部分。在系统中通过外接4×4软键盘输入设定频率和调整步进。一共16个按键，不同的按键代表着不同的数字和功能，除了正常的10个数字键0～9外，为了方便频率值的输入，还设计了菜单键、删除键、步进一、步进十、确认键、输出键等功能键。通过输入0～9数字键，输入设定频率;按下确认键，输出相应频率的波形;按下菜单键，可根据需要按下1，2，3数字键，分别选择1 Hz，10 Hz，100 Hz三个档位的频率步进;按下确认键，此后按下步进+、步进一即可对输出信号进行频率的步进调整;欲重新设定频率只需按下删除键，再次输入预设的频率即可。

该系统中单片机与AD9850采用串行通信方式连接。其中，频率控制字的计算：AD9850的时钟信号采用30 MHz，根据式(1)得：

式中：fo为从键盘上输入的频率值。式(3)计算的结果在不影响精度的情况下舍去小数部分，转换为32位的频率控制字。AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠(PowerDown)控制，2位用于选择工作方式。这40位