一种基于AD9910的高性能信号产生器的设计

杜玉华 丁骏

(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

一种基于AD9910的高性能信号产生器的设计

杜玉华 丁骏

(常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

直接数字频率合成(DDS)以相位噪声好、调频速度快、体积小、频率分辨率高的特点广泛使用于现代通信领域中。文章详细介绍DDS的工作原理及特性，并给出用单片机对最新的DDS芯片AD9910进行控制的设计电路来实现产生高性能信号的方法。测试结果表明，该电路产生的信号能够达到用户所需要的波形频率、幅度及相位要求。

直接数字频率合成器;信号产生器;AD9910

0 引言

随着现代通信技术的不断发展，对信号的频率稳定度、频谱纯度、频率范围等指标和性能也提出越来越高的要求，传统的信号产生方式已经无法满足实际的需求，需要使用频率合成技术。目前，常用的频率合成技术包括直接模拟频率合成技术、间接频率合成技术和直接数字频率合成技术。其中直接数字频率合成(DDS)以相位噪声好、调频速度快、体积小、频率分辨率高的特点得到了广泛的应用。文章以DDS理论为基础，介绍了一种基于DDS的信号产生器设计方案，它采用单片机进行控制，通过单片机与上位机进行通信，可以方便地实现精确的频率及相位控制，控制方式简洁、灵活，成本低廉。

1 设计原理

1.1 框图

本方案主要由单片机及接口转换、DDS和输出信号调理等部分组成，如图1所示。

图1 实现方案框图

RS232接口转换由一片MAX3223来实现，完成计算机串口电平到单片机串口电平的转换。单片机选用51系列单片机C8051F020，该单片机功能强大，主要完成计算机下达指令的接收和解析，并生成与用户所需要的频率相一致的频率控制字，同时还完成对DDS的控制和参数配置。DDS采用AD公司目前较先进的AD9910芯片，其工作频率高，可输出的频率较高，满足较大频率的输出要求。滤波电路由专用的滤波器来实现，主要滤除DDS输出的带外杂散信号。放大电路由Mini公司的ERA-5SM来实现，其最大输出信号幅度可达16 dBm(1 dB压缩点)。

1.2 DDS原理

DDS的基本原理是基于Nyquist采样定理，将模拟信号进行采样，经量化后存入存储器中(查找表)，通过寻址查找表输出波形数据，再经D/A转换、滤波即可恢复原波形[1]。一个完整的DDS内部结构由相位累加器、正弦转换表ROM存储器、数模转换器DAC和低通滤波器等部分组成，其原理框图如图2所示。

图2 DDS原理框图

在参考时钟的作用下，对输入的频率数据进行累加，并将累加器输出的一部分作为读取波形存储器的地址，将读出的波形数据经D/A转换器转换为相应的电压信号，由于D/A转换器输出的一系列阶梯电压信号含有一定的噪声，因此，再通过低通滤波器滤波，便可输出光滑的合成波形。输出信号频率为:

2 信号产生方法的实现

2.1 硬件设计

硬件设计主要包括单片机对DDS的控制电路设计，DDS的外围电路设计，放大电路设计等。

2.1.1 AD9910外围电路设计

AD9910外围电路设计主要包括AD9910的时钟设计和环路滤波参数设计。其详细的外围电路如图3所示。

AD9910参考时钟的质量直接决定了模拟输出信号的质量，在本设计中采用了20 MHz的恒温晶振，通过 AD9910的内部锁相环倍频到1 GHz工作。

当外部时钟较低时，需要利用AD9910内部的锁相环电路将参考时钟进行倍频作为系统的工作时钟。锁相环电路需要外部配置环路滤波参数，这样锁相环电路才能正常工作，如图3中C22、C23和R5所构成的RC滤波器，电容和电阻值的确定如下:

图3 AD9910外围电路图

式(2)、式(3)和式(4)中，M 为分频比，KD为鉴相器增益，KV为VCO增益，fOL为环路带宽，φ为相位余量。

2.1.2 单片机与AD9910接口设计

AD9910的控制比较简单，主要的控制引脚与单片机的接线关系如图4所示。单片机的SPI口与AD9910的SPI口连接，AD9910的其他控制引脚由单片机的P1口进行控制。

2.1.3 滤波及放大电路设计

滤波及放大电路主要完成:

①滤除DDS输出信号的带外杂散信号，提高信号的频谱纯度。

②将DDS输出信号放大到所需的电平值。

图4 单片机与AD9910连接图

详细电路图如图5所示。由图5可以看出，DDS的输出信号首先经过一个信号调理电路对信号进行调整，然后经过低通滤波Z1将DDS的带外杂散信号滤除，保证输出信号的频谱纯度，Z1为400 MHz的低通滤波器。放大电路由两级级联的放大组成，每级放大器采用Mini公司的单片集成电路芯片ERA-5SM，其工作频率范围为0～4 GHz，放大增益为20 dB。通过两级放大，输出信号的幅度为0 dBm。

图5 滤波及放大电路图

2.2 软件设计

2.2.1 C8051F020端口分配及功能

C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片(SOC)，它使用Cygnal的专利CIP-51微控制器内核，CIP-51与MCS-51指令集完全兼容[2]。它具有64个I/O引脚，每个端口都可以配置成推挽或漏极开路输出。C8051F020 MCU内部有2个具有增强型波特率配置的全双工UART和1个增强型SPI接口，每种串行总线完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断。

在本方案中，利用单片机的UART0来接收计算机下达的指令，同时利用SPI口完成对DDS芯片的控制和参数配置，硬件连接如图6所示。

图6 C8051F020硬件连接

通过设置I/O端口功能选择开关控制寄存器XBR0、XBR1、XBR2，可将 I/O 端口 P0.0、P0.1分配给 UART0，将端口 P0.2、P0.3、P0.4 配置成SPI功能引脚SCK、MISO和MOSI，然后通过设置SCON0寄存器的值来配置UART0的工作方式，并设置控制SPI接口性能的特殊功能寄存器SPI0CFG、SPI0CKR、SPI0CN、SPI0DAT。

SPI0CFG是SPI的配置寄存器，用于配置SPI的工作方式，并反映通信过程中的数据发送状态。

SPI0CN是SPI控制寄存器，用于控制SPI的工作，并反映通信过程中的一些错误标志。

SPI0CKR是SPI的时钟速率寄存器，用于选择SCK输出的频率。

SPI0DAT是SPI的数据寄存器，用于发送和接收SPI数据。

2.2.2 AD9910设计

AD9910集成了14 bit数模转换器(DAC)并且支持高达 1 GSPS的采样率[3]，它使用 32 bit累加器提供快速调频和频率调节分辨率，调节分辨率为0.23 Hz。AD9910可通过串行 I/O端口设置其内部控制寄存器参数。

AD9910主要有4种工作方式:单频模式、RAM调制模式、DRG调制模式和并口调制模式。在本方案中，AD9910工作在单频模式，其参数设置流程如下:

①对DDS使用的Profile相应的控制引脚进行选择控制。

②依次对CFR1、CFR2和CFR3控制功能寄存器的控制参数进行设置，使DDS工作在单频模式。

③在所选定Profile相应的频率控制寄存器中，设置所需要生成的信号频率的频率控制字。

AD9910在串行通信模式下对芯片管脚读写操作时序关系如图7所示。

图7 串口读写操作时序

2.2.3 软件工作流程

软件流程如图8所示。

首先，单片机初始化完毕后，直接进入串口中断等待计算机下发指令，如果收到计算机下发的串口指令，将进入串口中断服务程序对计算机下发的指令进行解析，并生成指令对应的频率及其他控制参数，然后对AD9910的寄存器进行配置，配置完产生所需的波形后，程序返回到等待中断状态，等待计算机下发下一条指令。

在中断服务程序中，通过对指令的解析可以判断出用户所需要的波形频率、幅度及相位要求。

2.3 仿真实验

图8 软件流程图

根据上述设计思路，利用Protel和汇编语言进行了软硬件设计，通过串口精灵下发指令控制输出信号的频率，在频谱仪上对产生的信号进行观察，在产生频率为71.41 MHz和135.267 5 MHz 2种信号时，信号的频谱特征分别如图9、图10所示。

图9 信号频谱特征图(71.41 MHz)

图10 信号频谱特征图(135.267 5 MHz)

从信号的频谱特征可以看到，在产生不同频率信号的情况下，信号的杂散很低，相位噪声良好。

3 结语

AD9910芯片是一片性价比比较高的 DDS芯片，其速度快，输出波形稳定，频率、相位和幅度皆可控制且分辨率高，利用本文所介绍的方法设计产生的信号，相比于传统的模拟信号产生方法，具有低杂散、相位噪声良好的特性，可在短波，超短波等通信系统中广泛应用。同时，通过对该方案进行简单改进，还可应用于微波、雷达等更高频率的通信系统，是一种用途广泛的快速、高性能信号产生方法。

[1]吴秋兰.现代数字系统设计方法研究及其在 AWG中的应用[D].济南:山东大学，2001.

[2]Cygnal Integrated Products，Inc.C8051F单片机应用解析[M].潘琢金，孙德龙，夏秀峰，等，译.北京:北京航空航天大学出版社，2002.

[3][佚名].Analog Devices AD9910 Datasheet，2007[EB/OL].[2011-05 -18].http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD9910.pdf.

Design of High-performance Signal Generator Based on AD9910

DU Yu-hua DING Jun

(School of Electronic Information ＆ Electric Engineering，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002)

Direct Digital Synthesis(DDS)technology is widely used in the field of modern communications，for its low phase noise，fast FM(frequency modulation)speed，small size and high frequency resolution.This paper introduces the working principle and characteristics of DDS，and presents the design circuit which uses single-chip microcomputer to control AD9910 DDS chip to generate high-performance signal.The experimental instrument test results show that the signal produced by the circuit can meet the users'need of waveform，frequency，amplitude，and phase.

direct digital synthesis;signal generator;ADD9910

TN74+1

A

1671-0436(2011)03/04-0006-06

2011-06-07

杜玉华(1977— )，女，硕士，讲师。

责任编辑:张秀兰