史振國(guó)+李德和+尹虎

【摘要】 本文介紹了波形生成電路的常見(jiàn)方案及特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了基于直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的AD9959。設(shè)計(jì)了基于AD9959的正弦波生成系統(tǒng)，簡(jiǎn)要說(shuō)明該系統(tǒng)各部分的功能及作用，并具體分析了系統(tǒng)可達(dá)到的頻率調(diào)制范圍、頻率調(diào)制精度和調(diào)制幅值。最后，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明了AD9959在信號(hào)波形生成方面的具體效果，具有寬頻率范圍、高精度、相位可設(shè)等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵字】 AD9959 DDS 正弦波

引言：在激光器頻率調(diào)制應(yīng)用中，正弦波作為關(guān)鍵信號(hào)起到了重要作用。正弦波具有：幅度可調(diào)、頻率可調(diào)、頻率調(diào)制范圍大及調(diào)制精度高等特點(diǎn)。如何同時(shí)滿足上述幾項(xiàng)的要求，成為正弦波設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

一、方案對(duì)比

函數(shù)發(fā)生器是一種常見(jiàn)的波形生成電路。目前，常見(jiàn)的波形生成方案主要有4種，分別為：文氏電橋（Wien-Bridge Oscillator）[1]、波形生成芯片[2]、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片和直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS，Direct Digital Synthesis）[3-4]。

文氏電橋，是利用RC串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的振蕩電路，由Max. Wien 發(fā)明的。參考文獻(xiàn)[1]是采用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的文氏電橋，可以實(shí)現(xiàn)在線編程但因采用數(shù)字電位計(jì)導(dǎo)致該方案的頻率調(diào)制精度偏低；波形生成芯片，常見(jiàn)如：Intersil公司ICL8038，存在如同文氏電橋相同的問(wèn)題；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制應(yīng)用中的4項(xiàng)要求，但存在程序復(fù)雜、調(diào)試周期長(zhǎng)等問(wèn)題；DDS技術(shù)是一種新型的頻率合成技術(shù)，在滿足要求的情況下，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、見(jiàn)效快等特點(diǎn)。

二、方案設(shè)計(jì)

2.1AD9959介紹

AD9959由四個(gè)直接數(shù)字頻率合成器（DDS）內(nèi)核構(gòu)成，每個(gè)通道均可提供獨(dú)立的頻率、相位和幅度控制。

AD9959可以執(zhí)行高達(dá)16階的頻率、相位或幅度調(diào)制（FSK、PSK、ASK）。AD9959的串行I/O端口可支持多種配置，提供了極大的靈活性；每個(gè)通道均具有專(zhuān)用的32 bit頻率調(diào)諧字、14 bit相位偏移和10 bit輸出比例乘法器。

2.2總體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)幅度及頻率可調(diào)的正弦波，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）對(duì)ADI的AD9959進(jìn)行控制，AD9959的時(shí)鐘來(lái)源于主控制芯片F(xiàn)PGA，并通過(guò)SPI總線方式實(shí)現(xiàn)控制，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻率可調(diào)；I-V轉(zhuǎn)換電路，將AD9959輸出的電流信號(hào)經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過(guò)低通濾波器對(duì)頻率信號(hào)進(jìn)行濾波處理；幅度調(diào)整電路是通過(guò)改變比例運(yùn)算電路的比例實(shí)現(xiàn)信號(hào)幅度的調(diào)制，具體是FPGA經(jīng) SPI總線控制數(shù)字電位計(jì)的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)口與PFGA實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，可以實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的頻率、幅值控制。

其中，F(xiàn)TW的范圍為[0，231]

由公式（1）推出，當(dāng)AD9959速率高達(dá)500MSPS時(shí)，輸出正弦信號(hào)最大頻率為250MHz，頻率精度高達(dá)0.115Hz。同時(shí)，輸出時(shí)鐘頻率與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率成正比，調(diào)制精度與系統(tǒng)時(shí)鐘頻率成反比。

因?yàn)榧す馄髡{(diào)制正弦波為固定頻率的連續(xù)信號(hào)，所以系統(tǒng)采用AD9959的單頻模式。具體操作流程為：1、上電 觸發(fā)主復(fù)位操作；2、設(shè)置寄存器0X00 啟用目標(biāo)通道，禁止其它通道；3、SPI總線方式 在寄存器0X04設(shè)置對(duì)應(yīng)的頻率調(diào)諧字，以及寄存器0X05對(duì)應(yīng)通道設(shè)置所需的相位偏移字；4、重復(fù)步驟2～3，分別設(shè)置其它通道；5、發(fā)送I/O更新信號(hào) 更新后，所有通道輸出所設(shè)置頻率及相位的正弦信號(hào)

三、實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

圖1為本方案AD9959輸出的正弦信號(hào)，其頻率為30KHz。從中可以看出：信號(hào)波形規(guī)整，AD9959在寬范圍正弦信號(hào)生成的應(yīng)用中具有較好的性能。

結(jié)論：本文提出的基于DDS技術(shù)的AD9959在信號(hào)波形生成方面的應(yīng)用，通過(guò)同步功能可以實(shí)現(xiàn)多級(jí)AD9959級(jí)聯(lián)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，AD9959是一款功能強(qiáng)大的DDS芯片，可以提供寬頻率范圍、高精度、相位可設(shè)的正弦信號(hào)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Alan Li . AN-580： Programmable Oscillator Uses Digital Potentiometers. 2002. Analog Devices， Inc.

[2] ICL8038. Intersil， 1998