一种基于AD9857的信号发生器的设计

1 引言
    电路系统设计、测试需要多种信号源，信号源是电路实验的基本组成模块。当前电路设计、测试中使用的信号发生器通常由硬件电路模块组成。这类信号发生器不仅成本高。硬件规模大、功能扩展困难，不能满足系统设计、测试和复杂实验需求。为此需要设计硬件规模小、扩展功能丰富、适用性强的信号发生器。AD9857可工作于正交调制、单音、内插DAC等3种模式，集成有DDS、DAC等功能，可实现信号发生的基本硬件功能。因而灵活运用AD9857的3种工作模式，利用其集成的硬件功能，采用较少硬件就可产生多种信号。基于AD9857的信号发生器符合系统硬件规模小、扩展功能丰富、适用性强的要求，满足系统设计和测试阶段信号源多样的要求，并满足多种不同层次电路实验对信号源的需求。这里以AD9857为核心，设计一种基于计算机和基本硬件电路的信号发生器。
2 信号发生器的系统构成
    计算机设置信号发生器的工作模式，并根据系统设计需求，利用软件编程设置产生信号的调制样式和参数，通过软件运算生成产生信号的数据，并通过端口将这些数据传递给信号发生器的硬件电路，从而产生具体的信号波形。当需要生成新的信号时，调用计算机内的信号数据库或改变信号发生器的工作模式，利用通用的外部硬件电路完成信号变换。当信号数据库中不包含所需要生成的信号时，则通过软件运算产生所需数据，实现发生信号的扩展。信号发生器的构成原理框图如图1所示。

    语音、图像、传真、数据等基带信号在计算机中经软件编程，生成相对一致的数据格式，并存储在计算机，从而构成生成信号的数据库。当选定生成的信号后，数据在控制信号作用下向计算机端口发送并由外部硬件电路生成模拟信号。该设计的核心是外部硬件电路生成模拟信号模块部分。

3 AD9857结构与功能描述
    AD9857是美国模拟器件公司生产的一款14 bit高性能的数字上变频器，其内部时钟速率达200 MHz，具有优异的动态特性，可实现4倍到20倍可编程的参考时钟倍频；内部集成一个32 bit正交DDS，实现8 bit的输出幅度控制；AD9857由3．3 V单电源供电，具有简单的控制接口，其功能框图如图2所示。

    图2中，AD9857由I、Q数据分离、级联积分梳状CIC(cascaded integrator comb)滤波、可编程内插、正交调制器、DDS核、输出滤波、DAC模块、时钟控制模块、定时和控制等部分构成。该器件可工作于正交调制、单音及内插 DAC 3种工作模式，选择不同的丁作模式其内部相应部分电路发生作用。当AD9857 工作于正交调制模式时，并行数据端口输入的I、Q数据在其分离模块中分离为I、Q两路数据。这两路数据经反CIC、4倍内插、可编程CIC后，与DDS核送来的正弦、余弦信号正交调制，并由 DAC模块输出；当AD9857 工作于单音模式下，DDS核由软件设定控制字后产生相应频率的采样值，并经DAC模块输出所需模拟信号。当AD9857 工作于内插DAC模式时，仅有I通道工作。这时，来自并口的14bit数据经滤波和内插处理后，由DAC模块输出模拟信号。在设计信号发生器时，可根据所需产生的信号，通过软件选择相应的工作模式。

4 利用AD9857设计信号发生器翻
    根据图1信号发生器的原理框图可知，其外部硬件电路生成模拟信号，这样，信号发生器是由AD9857与相关的外围电路共同实现中频信号，其核心电路如图3所示。

    图3中，利用CON_DATA端口输入的数据定义AD9857串口编程控制寄存器组中地址为01H寄存器的状态，由此决定信号发生器的工作模式。当01H 寄存器设置为00H时，信号发生器工作于正交调制模式；设置为01H时，工作于单音模式；设置为02H时，工作于内插DAC模式。信号发生器工作在正交调制模式，来自DATA_INPUT端口的14 bit并行数据在PDCLK时钟的同步下，首先在AD9857内进行I、Q通道的数据分离，并经反CIC和内插处理后与DDS核送来的相差为90°的两路载频信号正交相乘并相加，所形成的数据经DAC模块则生成需要的信号。在该工作模式下，由DA-TA INPUT端输入的数据应事先设置为I、Q数据交替的形式，通常情况下可由计算机预先生成，并存储在生成信号的数据库中。
    当信号发生器工作在单音模式下，AD9857内部I和Q两通道不能由并口获取数据，AD9857的输出由DDS的余弦部分决定，DDS的输出频率则由异步串口设置AD9857的频率转换字来设定。
    当信号发生器工作在内插DAC模式下，DDS不工作，仅AD9857的I通道工作。这时，经DATA_INPUT端口输入的数据串中仅I组数据作用，经AD9857的内捅处理后由DAC模块转换为模拟输出信号。
    AD9857 工作在不同工作模式下，所涉及的控制寄存器组是由CON_DATA端口输入的数据连接到PS0、PS1两个引脚共同决定。

5 讨论
    本设计方法根据所生成信号的要求，由计算机通过CON_DATA端口的控制位设定AD9857串口控制字，灵活选择相应的工作模式，从而产生所需的单音信号、常用窄带通信信号，较为复杂和无规律的信号，因而具有较大灵活性。通常情况下，为减少功耗， AD9857工作时应尽可能选择较低的内部时钟频率。在DDS的典型应用时，系统时钟频率应是最高输出频率的2．5倍。由于AD9857是模拟和数字混合电路器件，因此电路布局应注意模拟电路地线和数字电路地线的设置与连接。一般情况下，模拟电路地线和数字电路地线应尽可能短并设置为一点，这样可避免引入不必要的噪声而影响模拟电路部分的工作，降低系统性能。

6 结论
    利用基本的硬件设计和软件编程相结合实现信号发生器设计。该设计充分应用AD9857的功能特点，在软件编程控制下，硬件电路可产生不同信号。与单片机控制的信号发生器设计相比，该设计主控模块由计算机构成，界面更友好，具有更大的灵活性和软件扩展空间，特别是当在网络环境下进行电路实验时，可用一台计算机作为主控机设置、控制多个信号发生器，从而构成一个局部的电磁环境空间，拓展信号发生器的应用范围。