基于DDS器件設(shè)計的高精度、高穩(wěn)定度、高分辨率射頻正弦波信號發(fā)生器

1 引言

現(xiàn)代通信技術(shù)、雷達技術(shù)、電子測量以及一些光電應(yīng)用領(lǐng)域都要求高精度、高穩(wěn)定度、高分辨率的射頻正弦波信號。有別于傳統(tǒng)的模擬射頻振蕩器方式，直接數(shù)字頻率合成器DDS（Direct Digital Synthesizer）有著顯著的優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高、頻率精度高、易于控制。

2 系統(tǒng)工作原理

直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）是一種有別于傳統(tǒng)模擬正弦信號發(fā)生技術(shù)的全新數(shù)字控制技術(shù)，其基本原理如圖1所示。

正弦波信號y=sinωt是一個非線性函數(shù)。要直接合成一個正弦波信號，首先應(yīng)將函數(shù)y=sinx進行數(shù)字量化，然后以x為地址，以y為量化數(shù)據(jù)，依次存人波形存儲器。DDS使用相位累加技術(shù)控制波形存儲器的地址，在每一個基準(zhǔn)時鐘周期，都把一個相位增量加到相位累加器的當(dāng)前結(jié)果。相位累加器的輸出即為波形存儲器的地址，根據(jù)相位累加器輸出的地址，由波形存儲器取出波形量化數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電流，再經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換成模擬電壓，通過改變相位增量即可改變DDS的輸出頻率值。

采用直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS）設(shè)計的信號發(fā)生器與傳統(tǒng)信號源相比具有以下優(yōu)點：

（1）頻率穩(wěn)定度高其頻率穩(wěn)定度取決于所使用的參考頻率源的穩(wěn)定度，常見晶振的穩(wěn)定度可達幾個ppm量級；

（2）頻率精度高目前常見的DDS器件的頻率分辨率可達32位；

（3）易于控制直接通過數(shù)字接口就可以對頻率、幅度、相位等進行控制。

射頻正弦波發(fā)生器系統(tǒng)的工作原理是基于DDS的信號產(chǎn)生方式，通過低通濾波器和放大器提高射頻信號的頻率特性和驅(qū)動能力，通過控制器和一些外圍配套器件完成對DDS器件的接口控制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括直接數(shù)字合成器（DDS）、低通濾波器、增益可調(diào)放大器、控制器和電源。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖2所示。

3．1 直接數(shù)字合成正弦波發(fā)生器

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，選用DDS器件AD9951，其內(nèi)部時鐘可達400 MHz，頻率調(diào)節(jié)字為32位，14 bit的D／A轉(zhuǎn)換器輸出，具有較低的相位噪聲和較高的動態(tài)范同，內(nèi)部包含鎖相環(huán)電路可實現(xiàn)×4～×20的倍頻功能，通過SPI接口可以實現(xiàn)控制字和頻率調(diào)整字的寫入，實時調(diào)節(jié)信號頻率和幅度。

3．2 低通濾波器

根據(jù)DDS的工作原理，直接產(chǎn)生的D／A轉(zhuǎn)換器輸出信號必然包括所要求的頻率和其鏡像頻率以及諧波頻率等，因此在輸出端必須采用低通濾波器進行濾波，根據(jù)Nyquist原理，通常只有器件工作時鐘頻率一半以內(nèi)帶寬的頻率不受鏡像頻率的影響。

濾波器主要分為有源濾波器和無源濾波器。有源濾波器由于受放大器帶寬和增益的限制，主要用于低頻濾波器設(shè)計中：高頻濾波器則主要使用無源濾波器。無源濾波器主要分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器和橢圓濾波器，圖3對三者進行比較，由于橢圓濾波器在過渡區(qū)具有快得多的衰減速率，因此在該設(shè)計中選擇橢圓濾波器。

根據(jù)系統(tǒng)指標(biāo)要求，在DDS器件后加入170 MHz橢圓低通濾波器，經(jīng)GENESYS軟件仿真，結(jié)果如圖4所示。

3．3 數(shù)字增益可調(diào)放大器

采用數(shù)字控制增益、寬波段放大器MAX2055。器件內(nèi)部由阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、數(shù)控衰減器和放大單元組成。其頻率范嗣為30～300 MHz，-3～20 dB增益可調(diào)，并適用于50 Ω網(wǎng)絡(luò)。通過B0～B4數(shù)字控制信號即可實現(xiàn)增益可調(diào)。

3．4 控制器

控制器主要實現(xiàn)與計算機的通訊，控制正弦波發(fā)生器的頻率、幅度和放大器的數(shù)字增益。采用RS232 與計算機進行通訊，可方便設(shè)定和讀取當(dāng)前頻率值，輸出功率控制大小。選用80C51微控制器P89LV51RD2，該器件包含64 KB Flash和1 KB的RAM，同時包含SPI、UART接口和豐富的I／O端口線。支持ISP（在線編程），可方便地通過串口進行程序燒寫。圖5為控制器在整個系統(tǒng)中的功能框圖。

3．5 電源部分

電源部分對各器件數(shù)字電源和模擬電源供電。

4 系統(tǒng)測試和分析

在完成系統(tǒng)設(shè)計和制作調(diào)試后對射頻信號輸出進行了性能測試。測量儀器型號為Anistu MS2034A，其頻譜分辨率RBW為10 Hz，頻率跨度span為200 kHz。DDS外部接石英晶振的頻率為25 MHz（精度為10 ppm），PLL為14，系統(tǒng)時鐘為350 MHz，數(shù)字可編程放大器增益為18 dB。（注：該儀器絕對幅度精度功率電平（≥-50 dBm，≤-35 dB輸入衰減，預(yù)關(guān)，10℃～55℃）：100kHz～≤10 MHz，±1．5 dB；》10 MHz～4 GHz，±1．25 dB）表l為各個設(shè)定頻率點對應(yīng)的實際測量頻率值和功率值。

從表1可看出：

（1）信號功率特性 隨著輸出信號頻率的提高，信號功率下降．大體趨勢與sinc函數(shù)吻合，考慮到放大器和變壓器的高頻衰減以及分立元件的高頻特性影響，可以看出測量值基本符合規(guī)律。

（2）信號頻率穩(wěn)定 度輸出頻率的穩(wěn)定度和精度主要由晶振穩(wěn)定度和精度決定，該系統(tǒng)選用頻率為25 MHz（精度為10 ppm）無源石英晶振，則對應(yīng)輸出信號的頻率穩(wěn)定度為f/25×10 ppm，可得頻率穩(wěn)定度優(yōu)于50 ppm。可使用高精度高穩(wěn)定度時鐘參考源提高整個系統(tǒng)的射頻信號輸出頻率精度和穩(wěn)定度。

（3）信號帶寬通過Anistu MS2034，頻譜分辨率RBW為10 Hz，頻率跨度span為200 kHz的測量，可以從信號頻譜圖中發(fā)現(xiàn)信號輸出頻率約為幾赫茲。

5 結(jié)論

設(shè)計一種基于DDS器件AD9951的射頻正弦波信號發(fā)生器，通過設(shè)計、制作和調(diào)試，所得實驗結(jié)果較好，隨后進行分析，提出了改進意見。該系統(tǒng)對高性能射頻信號發(fā)生器的設(shè)計具有參考價值。