高精度測量往往需采用高精度,、高穩(wěn)定性、高分辨率的頻率信號源,。采用多個鎖相環(huán)構成的頻率合成器,，電路復雜、價格昂貴,，且信號建立時間長,、動態(tài)特性較差。近年來發(fā)展起來的直接數(shù)字式頻率合成器(DDS)采用高速數(shù)字電路和高速D/A轉換技術,，具有以往頻率合成器難以達到的優(yōu)點,，如頻率轉換時間短(<20ns=、頻率分辨率高(0.01Hz),、頻率穩(wěn)定度高(10-7至10-8),、輸出信號頻率和相位可快速程控切換等，因此可以很容易地對信號實現(xiàn)全數(shù)字式調(diào)制,。而且,，由于DDS是數(shù)字化高密度集成電路產(chǎn)品，芯片體積小,、功耗低,，因此可以用DDS構成高性能頻率合成信號源而取代傳統(tǒng)頻率信號源產(chǎn)品。

我們采用Analog公司的AD9835 DDS專用芯片設計了一種由單片機及計算機控制的合成信號源，主要技術指標如下：

頻率范圍：0.1Hz～10MHz

頻率分辨率：0.1Hz

頻率穩(wěn)定度：1×10-7

輸出幅度：0～±10V可調(diào)

輸出波形：正弦波,、方波(TTL電平),、PSK、FSK,、掃頻本信號源有可以任意切換的兩種控制方法：一種是用PC機上的并口傳遞控制指令及參數(shù),，為此我們用VB編寫了Windows 9x操作系統(tǒng)下的控制界面，通過該程序可以非常容易地設定各種控制參數(shù);另一種是用單片機控制,，通過面板按鈕設定參數(shù)和選擇功能菜單,，便于野外脫機使用。

1 DDS工作原理

1.1 DDS技術

AD9835中使用的DDS技術是從連續(xù)信號的相位Φ出發(fā),，將一個余弦信號取樣,、量化、編碼,，形成一個余弦函數(shù)表儲存在ROM中。合成時改變相位增量,，由于相位增量不同,，一個周期內(nèi)的取樣點數(shù)也不同，這樣產(chǎn)生的正弦信號頻率也就不同,，從而達到頻率合成的效果,。

在這里，余弦波信號本身是非線性的,，而其相位是線性的(如圖1所示),。

因此，每隔一段時間Δt(時鐘周期),，有對應的相位變化ΔP,，即

ΔP=ωΔt=2πfΔt ?1

從(1)式可得合成信號的頻率f為：

f=?ΔP×fmc/2π ?2

式中，fmc為固定時鐘頻率,，fmc=1/Δt,，通過改變相位值ΔP就可以改變合成信號的頻率f。 DDS芯片AD9835原理框圖如圖2所示,。

其中,，相位累加器為32位，取其高12位作為讀取余弦波形存儲器的地址,。每一次,，時鐘使相位累加器的輸出也即余弦ROM尋址地址遞增頻率設定數(shù)據(jù)K，對應的波形相位變化為：

ΔP=2Πk/232 (3)

因此,，改變相位累加器設定值K,，就可以改變相位值ΔP，從而改變合成信號頻率f。經(jīng)簡化,，合成信號頻率由下式?jīng)Q定：

f=K·fmc/232 ?4

式中,，fmc=50MHz，用高穩(wěn)定度晶體振蕩器獲得,。K值在1

1.2 AD9835芯片內(nèi)部結構

AD9835內(nèi)部結構框圖如圖3所示

它有一個32位相位累加器,，兩個32位頻率寄存器F0和F1(用于設定K值)，四個12位相位寄存器P0,、P1,、P2、P3,。程控切換F0,、F1時，可實現(xiàn)FSK和掃頻功能;程控切換P0,、P1,、P2、P3時,，可實現(xiàn)相位PSK調(diào)制,。余弦函數(shù)表儲存在ROM中。

32位相位累加器的輸出值截取高12位后與12位相位寄存器Pi值相加,，構成12位的相位地址,，去尋址余弦ROM表。尋址得到的幅度值經(jīng)10位的高速D/A轉換后成為合成余弦信號,。輸出信號S對所有DAC輸出噪聲N之比SNR主要與D/A的位數(shù)有關,，即與數(shù)字量化噪聲有關。理論分析可知10位D/A的SNR可達60.2dB,，AD公司資料給出的AD9835實際SNR優(yōu)于50dB,。輸出信號總諧波分量畸變量與兩主號頻率之比m=fmc/f有關，m值越大,，諧波畸變越小;m值較小時,，諧波畸變較大。為消除m較小的諧波畸變,，輸出端采用LC高階低通濾波器濾除高次諧波,。本例中使用的是5階Butterworth低通濾波器，可以將50MHz以上的高次諧波降低至-60dB,，完全滿足高精度信號源的要求,。

圖3中引腳FSELECT、PSEL0,、PSEL1是外加調(diào)制信號,，可用于對DDS進行直接位控調(diào)制,，實現(xiàn)數(shù)字二值調(diào)頻(FSK)和數(shù)字四值調(diào)相(PSK)。引腳FSYNC,、SCLK,、SDATA用來對DDS進行程控工作模式設定。數(shù)據(jù)傳輸方式為同步串行方式,。圖3中,，AD9835可以設定為SLEEP、RESET工作方式,，在SLEEP工作方式下,，功耗僅為1.75mW。

2 DDS信號源設計

2.1 信號源框圖

圖4為系統(tǒng)框圖,。

開關SW切向上方時,，信號源由單片機控制，工作模式,、頻率和相位參數(shù)由鍵盤設定,，采用8位LED數(shù)碼管顯示，頻率分辨率為0.1Hz,，可以實現(xiàn)點頻,、掃頻、PSW,、FSK四種工作模式。開關SW切向下端時,，則由PC機通過計算機并口進行程控,，工作模式與單片機控制時相同。為保證0～10MHz的信號輸出頻帶,，濾波器采用無源LC 5階濾波器,。AD9835的D/A輸出僅1.2V左右，信號經(jīng)兩級寬帶高速運放放大近20倍后輸出,。要滿足大信號10V幅度輸出時無失真,，末級放大器的擺率應滿足S≥ωVm。在10MHz時,，經(jīng)計算,，S≥600V/μs。

2.2 控制程序

無論是在PC機上用VB編程,，還是在單片機上用匯編語言編程,，主程序框圖基本一致，如圖5所示,。

在圖5中,，"初始化"是指對AD9835寫入控制字,，包括設置SLEEP、RESET,、CLR,、SYNC、SELSRC等位,，還要選擇在以后的調(diào)制中使用管腳還是串行控制位來控制AD9835,。一旦設定后，AD9835將保持設定狀態(tài)不變,，直到重新進行設置,。

由于AD9835控制參數(shù)要求以同步串行方式輸入，因此用PC機控制的時候,，采用PC機并口輸出的辦法,。用并口數(shù)據(jù)位線分別模擬幀同步FSYNC、同步時鐘SCLK和串行數(shù)據(jù)SDATA,，按參數(shù)要求將其串行化后裝配成并行數(shù)據(jù)從并行口輸出,。另外，由于VB本身不具有口讀寫功能,，因此需要用其他語言編寫口讀寫功能函數(shù)后用動態(tài)鏈接庫,。DLL的形式調(diào)用，以實現(xiàn)口輸出,。本程序也可以和虛擬儀器組合使用,，構成虛擬儀器界面的數(shù)字頻率信號發(fā)生器。

2.3 實測結果

本儀器設計完成后已投入使用,，各項指標達到設計要求,。從測量情況來看，DDS頻率合成器的頻率純度和穩(wěn)定度相當高,。圖6為合成器輸出頻率2MHz時的實測頻譜圖,，圖中縱向每分度為20dB，可見一次倍頻幅度衰減約為-45dB,。

圖7為PSK相位跳變時的波形實測圖,，相位跳變值為90度，從波形可以看出,，相位跳變的瞬時性和準確度非常好,。可以精確控制相位是DDS的一個突出優(yōu)點,，也是其它頻率合成手段難以達到的,。

圖8為合成器輸出頻率從頻率寄存器F0跳變到F1時的瞬態(tài)波形，波形銜接得非常好,，中間沒有控制失調(diào)的過渡帶出現(xiàn),，這也是DDS的突出特點,。

圖9為FSK調(diào)制波形。

DDS合成信號源具有高穩(wěn)定性,、高精度,、高分辨率、高速建立信號等突出優(yōu)點,，是信號源發(fā)展的方向,，在電子對抗、通訊與測量等許多方面都有重大的應用價值,。用DDS與PLD等芯片組合集成的專用ASIC信號源芯片,、微型程控式任意波形信號源專用芯片也即將問世，這將是信號源技術的一大革命,。利用砷化鎵及其它高速材料和技術,，可以使DDS頻率進一步向高端延伸，從而使其在軟件無線電方面具有重要的意義,。