基于AD9859的宽带自动稳幅信号发生器设计

杜 佳

（南华大学电气工程学院，湖南衡阳 421001）

0 引言

正弦波信号发生器广泛应用于电子电路、自动控制、军工航天领域，是电子技术领域基础电子仪器之一，在高频电子领域通常作为载波信号，是一种不可缺少的信号源和激励源。直接数字频率合成（DDS）技术由于其结构简单、输出频率精度高等优点被广泛应用于信号发生电路中。实验室常用的模拟信号发生器通常输出频率在1 MHz或几百kHz以下，且频率精确度不高，幅值输出不精确，无法满足高频精密信号激励源需求，实际应用中存在诸多不足[1-4]。

本文采用基于DDS技术的AD9859集成电路，并且结合基于VGA技术的压控增益放大器AD8336来研究设计一种宽带幅值稳定且数控可调的正弦波信号发生器。DDS技术是一种新型的频率合成技术，其生成频率具有很高的精度，采用该技术可提高频率的精确度，并且其具备频率可编程功能，可快速输出任意设定的频率，实现频率连续可调，常用于各类数字信号发生器设计之中。AD8336是压控增益放大器，可通过外部电压值调节内部运放的增益倍数，实现输入信号的放大与缩小的目的。本文采用STM32微控制器作为核心控制单元，通过按键输入设定正弦波频率以及幅值，并采用峰值检测电路实时监测输出波形幅值，调节压控增益倍数，实现了输出频率在10 kHz～10 MHz范围内连续可调，幅值在0～5VPP连续可调且误差小于1%的正弦波信号。输出阻抗匹配50Ω，可满足众多高频应用[2,5]。

1 信号发生器

为实现幅值自动稳定的信号发生器设计指标，设计由STM32F103C8T6单片机为核心主控，根据设定的频率将频率调谐字（FTW）通过串口写入AD9859，并根据压控增益放大电路的输出信号幅值调节AD8336的增益倍数，整个系统达到闭环控制，使得输出幅值达到设定幅值，硬件系统可分为以下几个部分：DDS信号发生电路，AD8336压控增益放大电路、峰值检测电路以及STM32核心电路。系统总设计如图1所示。

图1 信号发生器总体设计

2 波形发生电路

2.1 电源模块

该系统需要＋1.8 V、＋3.3 V、±9 V直流电压供电，其中＋1.8 V为AD9859的供电，＋3.3 V为主控STM32供电，±9V则作为AD8336运放供电电压。本设计的供电电源采用变压器将220 V市电转双12 V降压后，经过LM7809、LM7909得到±9 V直流电，再经过LM7805、ASM1117-3.3、ASM1117-1.8得到＋3.3 V、＋1.8 V。该系列芯片具有输出纹波低、封装小、效率高、价格低廉等优点，广泛应用于各类集成电路供电模块中，由于该部分是常见电路，不再具体介绍该部分电路。

2.2 AD9859外围及滤波电路

AD9859内部集成10 bit高速DAC，最高主频可达400 MHz，最大输出频率200 MHz正弦波，内部可编程DDS具有32位频率调谐字（FTW），可通过四线SPI串口与MCU进行通信。AD9859的外围电路如图2所示，其输出为两路180°反相信号，通过一个1∶1的变压器可将两路差分信号转为单路输出，如图3（a）所示。DDS信号的模拟输出，其本质是D/A转化，因此输出波形本质上呈现阶梯状，包含各种高次谐波分量，必须通过低通滤波器才能得到平滑的正弦波曲线，图3（b）所示为7阶椭圆滤波电路图[3]。

图2 AD9859外围设计电路

图3 差分转单路输出和椭圆滤波电路

2.3 频率调谐字计算

DDS核心是精确输出各个所需的频率点，DDS的输出频率f0来自系统时钟（CLOCK），频率调谐字（FTW）的范围决定于累加器的位数（AD9859累加器最大值为232），输出频率与频率调谐字的计算方式如下[5]。

AD9859内部有多个寄存器，MCU通过SPI总线将频率控制字等数据写入对应寄存器来达到改变输出频率的目的，主要使用到的寄存器如表1所示，程序初始化频率输出为10 kHz。

表1 AD9859主要使用到的寄存器及初始化值

3 压控增益放大电路

DDS芯片AD9859的供电电压为＋1.8 V，其输出频率的幅值通常为几百mV，为了实现幅值可调，需要加以合适增益倍数的放大电路，但是AD9859不同频率输出的幅值不固定，频率越高，输出幅值越小且不呈线性关系，为了使输出幅值稳定，需要一个增益可调的放大电路设计。

AD8336是ADI公司设计的一款基于VGA技术的放大器集成电路，VGA内置一个-60 dB的衰减器，在其前有一级最大可配置26 dB的前置放大器，其后接一固定34 dB增益的放大器，使得总增益范围从-14～46 dB或0～60 dB连续可调的目的[6]。如图5所示，GPOS和GNEG是外部电压增益控制引脚，之间的压差为VGAIN，从图4可以知道，控制电压VGAIN的范围为-0.7～＋0.7 V，控制增益变化为-14～46 dB（以前置运放增益12 dB来计算）。一般的单片机或者DAC芯片的输出电压都是正电压，因此在GNEG脚设定一个0.9 V的电压偏移，使得控制电压范围从0.2～1.6 V连续可调。

图4 AD8336增益与外部电压曲线

图5 AD8336应用电路

DAC芯片采用12位精度AD5320，采用＋2.7～＋5.5 V单电源供电，3 V时功耗仅有115μA，内置精密输出放大器，能够实现轨对轨输出。同时其采用三线串口控制接口，最高可工作在30 MHz的时钟速率，可快速响应输出电压配置。

4 峰值检测电路

峰值检测电路是广泛应用的基本电路，其可以检测一个任意波形的最搞峰值Vpeak，图6所示为理想峰值检测保持电路的输入波形（浅色）与输出波形（深色）的关系图。而最简单的峰值检测电路仅由一个二极管和一个电容器构成，如图7所示，但由于电容容易漏电，峰值会持续下降，不能有效保持峰值输出，同时由于二级管管压降的影响，导致输出出峰值低于输入电压最高值，误差来源于二极管正向导通压降。

图6 理想的峰值检测电路曲线

图7 简易峰值检测电路

图8 所示为由双电压跟随器构成的峰值检测电路，待测信号由同相输入端输入，当Vi＞Vo，且Vi大于二极管压降时，D1、D2、D3导通，给电容C1充电。当输入Vi＜Vo时，二极管D1、D2、D3截至，阻断电流回流，电容上的电压得到保持。后级运放充当跟随器输出到单片机做AD检测。同时Q1和Q2作为放电三极管，当MCU检测完峰值数据后，只需要一个高电平驱动，就可以复位电容C1为下一轮测量做准备[7]。其PSPICE仿真如图9所示[8]。

图8 峰值采样保持电路

图9 控制臂拓扑优化结果

图9 PSPICE仿真

5 系统软件设计

控制器采用Cortex-M3内核的STM32F103C8T6处理器，该处理器最高时钟频率72 MHz，集成了丰富如SPI、I2C等外设总线以及GPIO接口，非常适合本设计的通信方式。系统软件采用C语言开发设计，设定频率及幅值数据通过矩阵按键方式输入，MCU根据设定好的频率，通过给AD9859串口发送指令和频率调谐字（FTW），使AD9859产生一路正弦波信号。通过ADC读取输出端经峰值检波电路的输出电压，不断反馈调节AD8336的增益电压，实现负反馈调节，最终使得输出趋于稳定，同时OLED屏幕上显示实时频率及幅值，程序设计流程如图10所示。

图10 控制臂二次设计模型

图10 程序设计流程

6 测试结果及数据分析

6.1 测试数据

在设置好的频率下，表2所示为对应示波器显示频率，表3所示为输出幅值测试结果，波形如图11所示。

表3 输出电压幅值测试表

从测试结果来看，从10 kHz到10 MHz一共测试了10组数据，输出电压都设定为5Vpp，其频率输出精度误差均小于0.02%，输出电压的幅值误差都小于1%。

6.2 实测波形图

图11所示为部分实测数据图，分别是10 kHz、100 kHz、1 MHz以及10 MHz频率下示波器测得的波形，其中10 kHz输出时，由于输出频率范围较宽，波形受到输出端电容耦合的影响，使得波形产生细微畸变，后续研究可以在输出部分增加输出耦合电容分组选择器来帮助进一步完善。

图11 部分实测波形

6.3 数据分析

数据结果与预设有一些差别，但两者误差并不大，其主要误差来源由以下原因：

（1）频率误差主要来源于晶振误差，引起系统时钟偏差；

（2）幅值误差来受峰值检测输出ADC检测精度影响;

（3）幅值误差来源于DAC调节压控增益放大器的输出精度不高；

（4）手工布线精度、手工焊接元器件质量不高，进而影响频率精度以及幅值精度;

（5）芯片工作时间长引起芯片散热温漂影响频率和运放幅值精度;

（6）单输出耦合电容容易影响宽频带信号输出。

7 结束语

本文基于AD9859、AD8336和STM32芯片设计了一款宽带、幅值连续可调的信号发生器；采用STM32作为核心主控通过串口通信方式驱动AD9859，并利用峰值检测电路实时监测输出幅值反馈调节AD8336的模拟增益控制电压，实现了10 kHz～10 MHz频率连续可调、幅值0～5VPP连续可调的正弦波信号发生器。经实验验证，该信号发生器的频率和输出幅值稳定性和精度都较高，达到设计要求。后续研究可以改进输出端的耦合电容部分，增加分组网络，可将频率进一步分段，不同频率段使用不同的耦合电容，使得输出波形完美无失真。