一种宽带扫频信号源的设计

吴丽丽， 王 倩

（长春工业大学计算机科学与工程学院，吉林长春 130012）

0 引 言

频率特性测试仪（又称扫频仪）是一种测试网络频率特性的电子仪器，它广泛应用于无线电、电视、雷达、通信及电子线路和网络幅频特性、相频特性的测试中，为分析和改善电路性能提供了便利的手段。

频率特性测量的关键是产生频率步进的扫频信号源，此信号源的幅度、频率及相位应该能精确测定[1]。随着对测量的频率和精度要求的不断提高，由传统的晶体振荡器所设计的扫频信号源已不能满足要求。因此，近年来出现的直接数字频率合成技术得以广泛应用。DDS采用了全数字的结构方式，使其具备了以往频率合成技术所不具备的特点:频率分辨率高、合成准确且转换速度快;输出频率相对带宽较宽;频率切换时相位保持连续;易于实现数字调制功能。对DDS系统相位噪声的改善即是对DDS信号质量的改善，这主要在于对参考时钟振荡器的合理设计。

文中将直接数字频率合成器与单片机两核心部分结合，构成DDS宽带扫频信号源[2]。

1 直接数字频率合成（DDS）技术原理[3]

DDS的基本结构主要包括相位累加器、相位寄存器和波形查找表。DDS技术的实现依赖于高速数字电路，其工作速度主要受D/A转换器的限制。

DDS的基本结构如图1所示。

图1 DDS基本结构

图中:K——频率控制字;

n——查找表的地址线位数;

N——相位累加器的字长;

L——查找表的数据线位数，即DAC的分辨率;

fc——系统参考时钟。

DDS系统在参考时钟 fc的作用下，相位累加器（由N位加法器和N位相位寄存器组成）对频率控制字K进行线性累加，将结果的高n位作为查找地址进行相位幅度转换，产生L位幅度量化值，再由数模转换器进行转换。

相位累加器作为DDS的核心，不断地对频率控制字进行累加，累加器的溢出频率就是输出信号的频率。

DDS的输出信号频率为:

当K=1时，DDS系统输出频率最小也就是DDS系统的频率分辨率，扫频信号源频率分辨率直接取决于DDS的频率分辨率:

DDS输出信号是对周期信号的合成，由奈奎斯特采样定理可知，最大输出频率为:

所以K的取值范围为:

2 AD9850芯片介绍[4]

AD9850是一个运用DDS技术，结合比较器和集成在一个芯片内的高速、高性能的D/A转换电路而构成的一个完全数控的可编程频率合成器，且AD9850是能产生时钟的高集成度芯片，最高可达125 MHz的工作时钟频率。AD9850具有32位频率调整控制字，输出调谐频率分辨率为0.029 1 Hz。当给AD9850一个精确的时钟源作为参考频率源时，它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。

由于AD9850采用了先进的CMOS技术，因此，在+3.3 V和+5 V电源进行供电的情况下都可以正常工作。AD9850还具有5个位的数控相位调制，能使输出相位度数以 180，90，45，22.5，11.25，或是它们之间任意组合的增量进行相位上的调整与改变。可以用并行或串行的方式将频率调谐控制字和相位调制字送入AD9850中。

AD9850具有40位控制字，其中32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠控制，2位用于选择工作方式。可通过并行方式或串行方式将这40位控制字加载到AD9850。实际应用中，单片机与AD9850的接口可采用并行方式与串行方式，但在单片机资源允许的情况下，为了充分发挥芯片的高速性能，最好选择并行方式。

3 硬件设计

采用单片机对芯片进行控制，扫频信号源电路如图2所示。

图2 扫频信号源电路

此扫频信号源由单片机、DDS、低通滤波器和功率放大器这几部分组成。扫频信号源中的关键器件是低通滤波器，用来对输出信号中所含的高频杂散信号和谐波信号进行滤除[5]。文中扫频信号源要求的频率范围为1～10 MHz，为减小对低通滤波器的要求，选50 MHz的时钟源，使得谐波信号频率远离输出信号频率。此设计中的无源椭圆低通滤波器为7阶，且选用带宽为100 MHz的功率放大器A811。

DDS的逻辑和输出信号可采用单片机AT89C52进行实时控制[6-7]。AT89C52与AD9850的硬件连接原理如图3所示。

图3 单片机与AD9850的硬件连接原理

其中AD9850的RESET信号、W-CLK和FQ-UD信号直接由单片机的P3口提供。

为达到提高负载性能的目的，AD9850的输出信号DDS-OUTPUT应先接到外部的7阶低通滤波器，在低通滤波器中滤除谐波和高频杂散后再接到功率放大器A811。

4 软件设计

本设计使用8位并行接口方式。在实际应用中，通常将工作方式的选择位设定为00，该系统中AD9850的40位控制字高8位应设为00H。

AD9850并行加载方式下，它的时序关系要求通过D0～D7这8位总线将外部所给的控制字传送到寄存器，当字输入时钟（W-CLK）的上升沿到来时装入第一个字节，同时，把指针指向下一个输入寄存器，直到连续5个W-CLK的上升沿到来就读入了5个字节数据到输入寄存器中，然后W-CLK的边沿就不起作用了。下一步当频率更新时钟（FQ-LID）上升沿到来时，就将输入寄存器中的这40位数据装入到频率/相位寄存器，此时DDS输出的频率和相位就进行一次更新，并将地址指针复位到第一个输入寄存器，为下一次的频率/相位控制字的输入做好准备。

软件流程如图4所示。

图4 DDS的软件流程

程序的功能是要将外部输入的数据变换成AD9850芯片所能接收的格式，并送出相应的相位和频率控制字，从而使AD9850能产生频率、相位可程控的正弦信号[8]。

设计中要特别注意AD9850的时序要求，以正确送出逻辑控制字，并注意它的刷新时钟。通过端口写入AD9850的控制字暂时寄存在I/O缓冲寄存器内，这需要一个从低到高的时钟信号从外部输入，或通过内部32 B的刷新时钟把I/O缓冲寄存器内的控制字传送到AD9850的DDS内核。

使用单片机C语言进行编程，程序中对控制字的传送部分子程序如下:

5 测试结果

波形频率测试数据见表1。

表1 波形频率测试数据 Hz

表2 幅度测试数据（RL=50 Ω）

6 结 语

对设计的信号源输出波形进行测试发现能作为数字频率测试仪要求的扫频信号源。输出的正弦波信号具有频率稳定性好、准确度及频率分辨率高等特点。同时也发现DDS的杂散比较高，因此，在应用时要取其杂散低的频段，或者通过设计电路来减少杂散。总之，DDS芯片因其众多优点而在各类电子设备，特别是通信、雷达等领域中的应用将会越来越广泛。

[1] 刘君华.现代检测技术与测试系统设计[M].西安:西安交通大学出版社，1999.

[2] 张建文.基于DDS的扫频信号发生器的研究与实现[D]:[硕士学位论文].西安:西北工业大学，2005.

[3] 白居宪.直接数字频率合成[M].西安:西安交通大学出版社，2007.

[4] 王峥.AD9850的应用[J].通信与广播电视，2001（3）:14-19.

[5] 刘抒珍，童子权，任丽军.DDS波形合成技术中低通椭圆滤波器的设计[J].哈尔滨理工大学学报，2004，9（5）:22-24.

[6] 石雄.DDS芯片AD9850的工作原理及其与单片机的接口[J].国外电子元器件，2001（5）:53-55.

[7] 张庆顺，王文理，李金凤.基于单片机与DDS的多功能正弦信号发生器设计[J].仪器仪表学报，2008，29（4）:215-218.

[8] 高秀娥，陈文化.应用AD9850实现正弦标校信号的产生[J].现代电子技术，2004，27（1）:51-53.