基于AD9850多功能信号源的设计与实现

摘要：设计了一个以AT89S52为核心控制器件，直接控制两片DDS芯片AD9850，通过并行控制方式实现的正弦信号发生器，并且利用差动放大芯片AD830进行正弦信号幅值调节。该系统具有频率、相位可变，幅值可调，并且能够输出稳定的相位差和振幅调制的功能。

随着科学技术的发展和测量技术的进步，普通的信号发生器已无法满足目前日益发展的电子技术领域的生产调试需要。而DDS技术是一种新兴的直接数字频率合成技术，具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、输出信号相位噪声低、可编程、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点，因而在雷达及通信等领域具有广泛的应用前景。

1 DDS的工作原理

AD9850主要由DDS系统、高性能模数转换器(DAC)和高速比较器三部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。允许工作的最高时钟为125 MHz，其原理框图如图1所示。

图1是AD9850的基本原理图，它有40位控制字，其中有32位的频率控制字和5位相位控制字，分别用来控制DDS产生的正弦波的频率和相位。其40位控制字功能描述表如表1所示。

正弦波信号输出频率(fout)、参考时钟频率(fCLKIN)和频率控制字(M)之间的转换公式为：

AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出，此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。在125 MHz的时钟下，32位的频率控制字可使AD9850的出频率分辨率达0.0291 Hz;并具有5位相位控制位，而且允许相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或这些值的组合进行调整。

2 系统构成

本文采用了AT89S52型单片机作为核心控制器件，将模拟电源和数字电源分开，分别对数字部分AD9850和模拟部分AD830供电。单片机对两片AD9850分时控制，使用数控方式对AD9850写入相位控制字和频率控制字，使之输出所需要的相位和频率。再将输出的两路互补电流信号转换成电压信号输入到差动放大芯片AD830中，不仅可以去噪使波形分辨率更高，而且，可以对输出波形的幅值进行调节，使之更方便应用。系统组成框图如图2所示。

2.1 DDS信号产生电路

单片机通过控制芯片上的W_CLK(word load clock)来实现对两片AD9850分时控制，在实现方法上既可以通过跳线方式将两片AD9850的W_CLK分别接到单片机I/O口控制，也可以利用总线方式控制。对于其中一片DDS而言，可以通过软件编程使其实现扫频、跳频等功能，也可以通过按键、串口等外围控制来对输出波形频率实现控制。对于两片AD9850同时使用，我们主要是要得到两个频率相同，但存在一个稳定的相位差的信号源，能够很好地运用到以后的工程当中。用单片机来实现，这并不是很难，只需要在单片机程序中写入两片DDS芯片中的关键字中相位控制字不同，频率控制字相同即可达到这样的效果。电路原理图如图3所示。

当RESET所接电阻为3.9 kΩ时，AD9850最大只能输出10 mA的电流信号，在实际应用中显然受到限制，转换成电压信号输出并且幅值可调可以在工程中应用更加广泛。电路中R2、R3、R13、R14就是下拉一电阻接地使电流信号转换成电压信号。

2.2 幅度调节电路

实验中选用了差动放大芯片AD830，它的共模电压范围很宽，-12 V～+12.8 V，85 MHz的单位增益带宽，而且它的最大放大倍数可能达到100。AD9850与AD830的连接图如图4所示。

由于AD9850输出的是电流信号，而AD830输入的是电压信号，所以AD9850输出需要连接一个电阻接地，使之变成电压信号，本图中选用的是100 Ω的电阻，这样输出为幅值为1 V的电压信号。同时，AD9850还输出一个互补信号，将输出信号和输出互补信号连接到AD830的X1和X2端，输出电压为：

Vout=(V1-V2)(1+R10/R7)

R10为10 k滑动电阻器，这样就可以对幅值进行调节。本实验中采用±5 V电源供电，这样输出波形电压在3.5 V左右波形较好，再高会溢出，导致波形失真。

3 实验结果

对系统的软硬件都调试完之后，给系统上电以后，经过示波器就可以测得输出的正弦波形信号，但是DDS有一个明显的缺点，最大输出频率只能到fCLKIN/2。但本实验中发现，当输出频率超出fCLKIN/2时，信号波形仍然可以输出，只是信号是通过幅度调制的形式输出。 fCLKIN/2信号作为载波信号，溢出fCLKIN/2的部分作为调制信号。如图5所示。

对于某一单一信号而言，可以通过串口发送数据得到所需相位和频率。同时，通过系统编程，可以实现扫频、调频等功能。

调节滑动电阻器可以对输出信号的幅值进行调节。当写入两片DDS中的频率字相同，相位字有一定的相位差时，通过示波器就可以测得两路有固定相位差的信号源。

4 结束语

通过对AD9850的实验测试证明，本系统采用DDS芯片完全可以实现频率、相位可变，幅值可调，并且能够输出稳定的相位差和振幅调制的功能。而且AD9850工作可靠，对参考时钟波形要求不高，输出信号稳定，信噪比高。此信号源分辨率高、波形失真小、全数控型函数信号发生器，具有一定的实用开发价值。