基于AD9959 谐波信号发生器的设计

沈 冰，杨艺敏

（桂林航天工业学院 工程综合训练中心，广西 桂林 541004）

0 引言

谐波在电力电子技术、自动化技术和理论电工等方面都有着广泛的研究，特别是进入21 世纪以来，电子技术得到了巨大的突破，各式各样电力电子设备层出不穷，广泛应用于电气化铁路、煤炭、冶金等工业领域，极大地提高了各个领域的工业水平。与此同时，也带来了电力系统谐波含量持续增高等问题，使得电能质量日益恶化，影响了公共电网的安全，因此，电力谐波污染开始走进大众视野，谐波检测作为解决电力谐波问题的基础也逐渐的受到各界关注。电力系统的检测中，常需要模拟电网谐波的信号源对其中的器件性能进行相应的检验，例如用户电能表的校准等[1]。

传统的信号发生器主要依靠模拟电子技术实现，依靠锁相频率合成技术实现频率可调的信号，此种方法较为繁琐，电路设计复杂，精度也稍逊一筹，且只能输出单一的波形，现已较少使用。目前国内外绝大多数的研究机构对谐波信号发生器的研究都基于Direct Digital Frequency Synthesis 技术。相较于国外，国内对信号发生器的研究起步较晚，市面上绝大多数谐波信号发生器都由国外厂商生产，例如美国的安捷伦等，价格较为昂贵[2]。本设计的是一种参数可调的谐波信号发生器，结合实际设计需求，使用单片机为控制器，通过DDS 芯片产生四路信号，最终通过加法器合成谐波信号。此种方法的设计成本相对较低，单片机的应用也较为成熟稳定，在工程应用领域具有一定的实用参考价值。

1 总体设计框架

1.1 AD9959 简介

DDS 是由美国科学家在20 世纪70 年代初提出的一种直接数字频率合成技术，由于其具有频率稳定度与分辨率高、转换时间短、相位噪声低、可编程、体积轻巧等优点[3-4]，逐渐成为目前的主流技术。

AD9959 是由美国ADI 公司推出的高精度DDS芯片，该芯片的内核由四个直接数字频率合成器（DDS）构成，AD9959 可以对4 个通道独立编程，从而提供了灵活性，其最高输出频率为200 MHz[5-6]。

1.2 总体设计思路

本设计采用单片机STC89LE52RC 控制DDS 模块AD9959，通过运算放大器构成的加法器实现谐波信号的合成。其中电源模块给各模块提供所需的电压，LCD12864 显示四路信号的调制过程中幅度、相位、频率或按键改变输出信号的频率、相位、幅度。

图1 总体设计框图

2 硬件电路的设计

2.1 DDS 模块电路

DDS 模块的设计如图2 所示，芯片选用AD9959芯片，该模块与单片机通信，由单片机写控制字控制该模块的各项输出。其中，SDIO_0 双向引脚用于串行口操作过程中的输入与输出，在程序中的指令或数据中的高低电平都是通过这个端口进行传输；I/O_UPDAT 输入引脚，在上升沿的作用下把串口缓冲中的数据发送到所需要的寄存器中，在硬件设计过程中接入单片机其中的一个I/O 口；SCLK 为串行口的时钟输入端，分别在该端口的上升沿和下降沿写入和读出数据，在硬件设计中接入单片机其中的一个I/O 口；CS 片选信号使能端口，该端口为低电平时有效；MASTER_RESET 为芯片的复位引脚，采用接入单片机的I/O 口，通过程序的控制给单片机复位；REF_CLK 和REF_CLR 为参考时钟输入端，本次设计在该端接入两个39pF 的电容跟一个25 MHz 的晶振，与CLK_MODE_SEL 引脚配合使用；CLK_MODE_SEL为振荡器控制输入引脚，在REF_CLK 和REF_CLR 端接入的晶振频率范围为20 ～30 MHz 之间，倍频后的频率不大于500 MHz；SYNCLK_CLK 为系统四分频输出引脚，通过该引脚能够检测系统的时钟频率，在不写入程序时该端口输出的频率为本次设计25 MHz 晶振的四分之一输出，在写入程序20 倍频后为500 MHz的四分之一输出。

图2 DDS 模块

2.2 单片机控制系统

该部分主要由电源、振荡电路、复位电路以及外围电路构成。由于AD9959 的工作电压为3.3 V，为了使电路结构更加简单，所以单片机也将选用3.3 V 供电，本设计中采用的单片机型号为STC89LE52RC；两个22pF 的瓷片电容、一个11.0592M 的晶振构成振荡电路；复位部分采用按键复位，在此模式下单片机一上电就能进行复位且在工作中随时都可以通过按键按下进行单片机复位，只需要在RESET 端产生一个超过两个机器周期持续时间的高电平就能够实现复位。

2.3 滤波电路的设计

由奈奎斯特采样定理，DDS 输出频率只有最大值时钟频率的一半[7]，所以在实际输出的过程中会输出更多杂散的波，为了解决这个问题，可在DDS 的输出端加上一个低通滤波器，它能够很好地滤除不需要的杂波，平滑信号，得到所需频段内的信号，本次滤波电路设计的是椭圆7 阶低通滤波器，采用归一化法设计本次的滤波电路。

2.4 液晶显示电路

由于本次单片机系统采用的是3.3 V 供电系统，所以液晶显示屏采用的是3.3 V 供电的LCD12864，满足系统对显示的需求。

2.5 供电模块电路

在电源模块电路设计部分，分别采用LM1117-3.3 和LM1117-1.8 提供3.3 V 和1.8 V 的电压，采用TPS6043 提供负5 V 电压，以确保第三部分加法器模块运放所需的电源。同时为了滤除输入或输出的噪音，在三块电源的输入输出引脚部分都接入了一个小电容，每个电源部分都分别用一个LED 灯来显示电源正常工作。

2.6 按键的设计

所需的功能按键一共6 个，其中的S2 和S6 是对系统中数据进行加减功能的按键，S6 和S4 是对LCD12864 界面显示上下移动以及翻页功能的按键，S3 和S5 是对数据需要改变进行所需要选择进行左右平移的按键。6 个按键都是接低电平然后接至单片机的IO 口，如图3 所示。

图3 功能按键

3 软件部分的设计

软件设计流程图如图4 所示，软件主要由两部分组成，一部分是控制LCD12864 显示的流程图，另一部分则控制DDS 模块输出，两部分将同步更新，做到示波器上显示的数据与LCD12864 上显示的数据一致。

图4 软件设计流程图

LCD12864 采用并行传输，DDS 模块采串行传输。在写程序方面，都是通过先写两个直接传输指令与数据的函数模式，然后通过调用该函数就能够把所需要写入的数据进行传输，而在进行具体的操作时则进行各部分的函数详细的描写，按键部分是对两部分进行同步更新操作的关键，只要有按键按下，AD9959 与LCD12864 同步更新。

4 测试

谐波信号发生器硬件实物图如图5 所示，给整个系统供电后，LCD12864 显示进入到调频界面，开机界面与调频界面的时间间隔约两秒，在该界面就可对四个通道进行调频操作，初始化的程序将显示四个通道的初始化频率，进入调频界面后可以进行各项操作，通过调试，基本达到设计要求。图6 是基波与三次谐波、五次谐波、七次谐波通过加法器的合成生成的波形，也是本文最终产生的波形。

图5 谐波信号发生器硬件实物图

图6 合成波形

5 结语

基于AD9959 的谐波信号发生器的设计完成以后，经过反复测试，各项指标均达到了预期。基于单片机为控制核心的谐波信号发生器，能产生一系列特定的有规律的幅度和频率可调的信号，很多的测量领域都可应用，并且由于AD9959 可以在不改变外围电路的情况下对系统进行软硬件升级，延长了系统的使用周期，并且由于它的性价比高和广应用范围广，使其在通信领域的应用有了更多的可能。