基于DDS 的宽带信号发生器的设计

张 萍

(江阴职业技术学院 电子信息工程系，江苏 江阴214405)

在雷达系统、通信系统以及自动控制系统中，一个高精度、高稳定度、输出频率范围宽且可调的信号源往往是设备和系统实现高性能的关键。而常用的信号发生器往往只能输出低频信号，或者只能输出高频信号，因此设计一种既能提供低频信号，又能提供高频信号的信号发生器就显得非常必要。

信号发生器一般有这样几种实现方法:(1)用专门的函数信号发生器IC 产生，如L8038 等，其功能较少，精度不高，频率上限只有300 kHz，无法产生更高频率的信号;(2)用单片集成芯片的函数发生器实现，如MAX038，能产生多种波形，达到较高的频率，但是MAX038 输出频率是用模拟信号控制的，需要将微处理器输出的数字信号经过D/A 转换，并经过信号调理之后进行控制，不但增加了电路的复杂程度，输出频率精度也不高。

为了解决以上问题，系统采用内部集成了高速数字电路和高速D/A 转换电路，直接数字合成DDS芯片实现信号发生器，其输出波形具有频率范围宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、稳定程度高、可编程、全数字化等特点［1-2］，有效克服了上述方案的不足。

1 系统总体方案

系统以TMS320LF2407 DSP 为控制核心，AD9854 为DDS 模块构成宽频带信号发生器，能够产生正弦波、方波和三角波3 种波形，如图1 所示。TMS320LF2407 和AD9854 的工作电压都是3.3 V，两者电平完全匹配，两者之间可以直接进行数据传输，不需要进行电平转换。AD9854 功耗较大，图1 中的电源电路采用低压差稳压器LM1085IS-3.3 将系统输入的5 V 电源转换为3.3 V 电压，其输出电流为3 A，具有足够的驱动能力，完全满足AD9854 功耗要求。

图1 系统总体框图Fig.1 Overall system diagram

频率输入键盘采用4 ×4 矩阵键盘，可以通过此键盘输入任何大小频率。幅值选择电路采用电阻分压电路实现，电路输出的不同电压对应不同的信号幅值，DSP 的A/D 转换模块采样输入电压，控制系统输出不同幅值的信号。

TMS320LF2407 根据从键盘输入的频率大小和从幅值选择电路输入的幅值大小，对AD9854 频率寄存器、幅值寄存器和其他寄存器进行编程，控制AD9854 输出指定频率和幅度的正弦信号，此正弦信号经过滤波电路滤除杂波。由于AD9854 直接输出的正弦波幅值最大只能达到1 V，而实际使用中，往往需要更大幅值的正弦波，因此滤波输出的正弦波还需要经过放大电路进行幅值放大。而AD9854 输出的正弦波频率最高可达到150 MHz，因此这里使用的放大电路带宽必须足够宽才能进行正确放大。

AD9854 内置高速比较器，其产生的正弦波与参考电压通过高速比较器进行比较输出方波信号，此方波信号经过时钟缓冲电路缓冲，并经过宽带放大电路进行放大，即可得到所需幅值的方波信号［3-4］。此方波信号可通过积分电路进一步得到三角波。

2 主要功能模块的设计

2.1 DDS 波形产生电路

数字频率合成(DDS)芯片AD9854 是用于高端DDS 技术的一款芯片，该芯片带有两个高速、高性能的正交D/A 转换器，可以同时输出I/Q 两路正交信号。该芯片内部还带有一个超高速比较器，将芯片输出的正弦信号与参考电压进行比较，可以输出一路方波信号。当参考时钟源有很高精度时，AD9854 能够产生高稳定度的频率、相位、幅度均可编程的正弦信号和方波信号。在最高300 MHz 的参考时钟信号下理论上允许输出信号的频率最大为150 MHz，输出信号频率可达100 MHz，内部相位截断保证了良好的无杂散动态范围(SFDR)，内部集成两路14 位相位寄存器、一个键控整形功能、两路48 位频率控制字寄存器、两路12 位高精度幅度控制寄存器。AD9854 具有多种工作模式，能够实现单音调、频移键控(FSK)、二元相移键控(BPSK)、相移键控(PSK)和脉冲调频(CHIRP)等多种输出方式。

可以通过配置AD9854 的48Bit 频率字F、14 Bit相位字Phase 和12 Bit 幅值字得到所需频率和幅值的波形。AD9854 频率控制字［5-6］(对应并行地址为04H ～09H)、相位控制字(并行地址为00H ～01H)和幅值控制字(I 路并行地址为21H ～22H，Q 路并行地址为23H ～24H)可分别根据式(1)，(2)，(3)得到:

系统中AD9854 采用30 MHz 晶振，通过并行地址为IEH 的控制字配置倍频系数为10 倍，则系统时钟频率为300 MHz。如果要得到输出频率为1 MHz、相位为450，幅值为0.5 V 的波形，则频率、相位和幅值控制字应分别为

AD9854 用常用的串行编程方式与DSP 进行接口，图2 为TMS320LF2407 与AD9854 接口电路示意图。

图2 TMS320LF2407 与AD9854 串行接口电路示意Fig.2 TMS320LF2407 and AD9854 serial interface circuit schematic

由于采用的是串行编程方式， 工作时TMS320LF2407 的引脚PA5应该提供给S/P SELECT低电平。IORST 是IO 复位，MRST 是主复位，上电复位以后，TMS320LF2407 首先通过引脚MRST 给AD9854 一个主复位脉冲，使AD9854 处于一个初始工作状态。FSK/BPSK/HOLD 和SHAPED KEYING是实现不同工作模式时的控制信号，CS，SCLK，SDIO 分别是与DSP 之间进行数据传输的片选、时钟和数据端，在工作模式配置字、频率控制字、相位控制字和幅值控制字写入后，最后通过引脚I/OUDCLK 输入给AD9854 一个更新脉冲，控制字才能真正进入到AD9854 内核。

2.2 滤波电路

根据DDS 频谱可知，由于相位截断和D/A 转换的存在，使得输出端存在高次谐波分量干扰，尤其是在高频率信号输出时干扰越大。为了得到良好的输出信号必须要对输出信号进行滤波处理。本系统采用7 阶切比雪夫滤波器［7］，如图3 所示，采用电感与电容(0 ～100 pF)连接，通过扫频仪调整电感和电容的值使滤波器的带宽满足要求。

图3 滤波电路Fig.3 Filter circuit

2.3 宽带放大电路

系统采用的是TI 公司推出的一款低功耗、电流反馈型放大器OPA695，该放大器能够提供1.4 GHz的带宽增益积，非常适合对高频信号进行放大。通常适用于视频信号处理、线缆调制解调器、无线通信以及测试仪器等领域的各种应用［8］。

由于系统输出信号频率很高，导致干扰的因素很多，因此高速放大器在布局布线时要非常注意。如图4 所示，在电源和地线之间要加上去耦电容，在OPA695 电源的正负极分别串联一个磁珠，以进一步减小电源所带来的干扰。在PCB 布局时，电容、电阻等元器件应尽量靠近OPA695 芯片的引脚，以使走线长度最短，从而进一步减小因走线所带来的干扰。电阻也最好采用贴片、噪声小的电阻。

图4 放大电路Fig.4 Amplifying circuit

系统采用±5 V 双电源供电，并通过去耦电容和磁珠去除电源中的干扰。输入信号经过一个0 Ω电阻进行滤波，输出信号串联一个50 Ω 电阻进行阻抗匹配，输入输出信号都是采用屏蔽线连接，以防引入干扰。

高速放大器的反馈电阻为560 Ω，反向输入端和地之间串联一个27 Ω 固定电阻和一个1 kΩ 的可调电阻。通过调节可调电阻，可以改变电路的放大倍数。

3 实验测试与结果分析

在实验室采用数字示波器对系统输出波形进行测试，结果表明，其最低输出频率可达到毫赫兹，最高输出频率可达到百兆赫兹。图5 和6 所示是示波器上显示的系统输出500 mHz 和90 MHz 的正弦波。从图中可以看出，其输出波形比较理想。当输出波形频率大于500 mHz、小于90 MHz 时，波形更为理想。由此可见，系统输出波形频率范围不但包括音频(200 ～20 000 Hz)、视频(1 Hz ～10 MHz)和高频(100 kHz ～30 MHz)，而且还达到了超低频(mHz)和甚高频(90 MHz)，表明系统性能优良，能提供很宽频率范围的波形。

图7 和8 所示是1 kHz 正弦波5 倍放大前后在示波器上显示的波形。放大之前峰-峰值为1.04 V，放大之后峰-峰值为5.03 V，放大后的幅值与放大前5倍之间的微小差异可以通过调节图4 中的可调电阻RF 消除，此宽带放大电路放大后波形仍然非常理想，说明系统宽带放大电路放大效果良好。

图5 500 mHz 的信号Fig.5 500 mHz signal

图6 90 MHz 的信号Fig.6 90 MHz signal

图7 幅值放大之前的1 kHz 正弦波Fig.7 1 kHz sine wave before amplitude amplification

图8 幅值放大5 倍后的1 kHz 正弦波Fig.8 1 kHz sine wave after amplitude amplication 5 times

通过调节图4 中的可变电阻RF 可以得到不同的放大倍数，从而可使系统输出波形幅值变化范围进一步扩大。

4 结 语

针对常用的信号发生器很难既能输出低频，又能输出高频信号，设计了一款基于AD9854 的信号发生器，系统由频率输入键盘、幅值选择电路、DDS波形产生电路、低通滤波电路、时钟缓存电路、宽带放大电路和积分电路等组成。通过实验验证了当系统输出波形频率在500 mHz ～90 MHz 时波形理想，输出波形的频率、幅度、相位等能实现精确控制，其输出波形频率范围不但包括低频和高频，而且还可以达到超低频和甚高频，性能优良，在雷达系统、通信系统以及自动控制系统中具有较好的实用价值。

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