信息技术
In formation T echnology
                        2006年第12期  　中图分类号:T N915.02  文献标识码:A  文章编号:1009-2552(2006)12-0144-03
基于AD9954信号发生器的设计
袁雪莲，冯　伟
(中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州221008)
摘　要:AD9954是美国ADI公司采用先进的DDS技术生产的高集成度频率合成器芯片，它能产生200MH z的模拟正弦波，现介绍一种基于AD9954的信号发生器的设计方案。该信号发生器由单片机完成系统的控制功能，由宽带放大电路增大幅值并提高负载能力，还具有通过补充外围电路和软件编程实现产生其他多种波形输出的功能。
关键词：直接数字频率合成；单片机;AD9954
Design of signal generator on basis of AD9954
Y UAN2lian,FE NG Wei
(School of I nform ation&E lectrical E ngineering,China U niversity of Mining and T echnology,Xuzhou221008,China)
Abstract:AD9954is a chip with the technology of Direct Digital Synthesizer(DDS)which is produced by ADI.C o.It can produce200MH z-analog sine wave.A design way of signal generator is proposed on basis of AD9954.The system configuration and control function of the signal generator is took charge of single-chip microcom puter,the wideband current-feedback operational am plifier is used to increase the am plitude of wave format and system load.Many kinds of wave are generated by the extended circuits and programs.
K ey w ords:direct digital synthesizer(DDS);single chip microcom puter;AD9954
  直接数字频率合成技术(direct digital synthesi2 zer,DDS)是在20世纪70年代提出的，利用数字可控振荡器技术，直接以数字信号控制产生高精度频率信号，频率分辨率可达LH z，与传统的直接频率合成(DS)、锁相环间接频率合成(P LL),FNP LL合成和PSG单环路合成相比，具有频率切换时间极短、频率分辨率高、相位连续，相噪低，结构简单、体积小、成本低等优势。
鉴于DDS技术有如此优越的条件，现在大多数设备、系统都采用了这种技术。当然，作为通信系统中必不可少的信号发生器也越来越多地容纳了该技术，本文将要介绍的是基于ADI公司生产的DDS芯片AD9954[1]的信号发生器的设计方案。
1　AD9954芯片
1.1　AD9954芯片的主要参数特点
AD9954是采用先进的DDS技术开发的高集成度DDS器件。其主要特性如下：内置400MSPS时钟；内含14位DAC；相位、幅度可编程；有32位频率转换字；可用串行IΠO控制；内置超高速模拟比较器；可自动线性和非线性扫频；内部集成有1024×32位RAM；采用1.8V电源供电；可4～20倍频；支持大多数数字输入中的5V输入电平。
1.2　内部结构框图
AD9954内部结构图如图1所示。芯片内部集成的相位累加器，在输入相位增量(相位步长)后，开始累加相位，并由DΠA变换器输出相位对应的电压。由于相位的周期变化，所以可以产生周期变化信号，最后经抗混叠滤波器输出。它内置的高速、高性能DΠA转换器及超高速比较器，可用为数字编程控制的频率合成器，能产生200MH z的模拟正弦波。AD9954内含1024×32静态RAM，利用该RAM可实现高速调制，并支持几种扫频模式。AD9954可提供自定义的线性扫频操作模式，通过AD9954的串行
收稿日期:2006-05-11
作者简介：袁雪莲(1983-)，女，中国矿业大学在读硕士研究生，研究方向为通信系统。
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I ΠO 口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频
率分辨率。1.3　工作模式
AD9954有单音、RAM 控制、和线性扫描三种模
式。在单音模式下AD9954自动打开I ΠO UPDATE ，输出一个标准的正弦方波；在RAM 控制模式下又分为直接转换模式、上斜坡模式、连续双向斜变模式和
连续循环模式，由RAM 段控制寄存器的其中三位来指示，其中连续循环模式是使能RAM ,RAM 模式控制字为100，这种模式可提供自动、连续、单向的扫频，地址发生器从起始地址开始，当其增加到终止地址后会自动回到起始地址重新开始下一次循环；线性扫描模式下,AD9954的输出频率将从FT W O 的起始频率向FT W1设置的截至频率来回线性扫描
。
图1　AD9954内部结构图
2　信号发生器的基本原理及组成
2.1　基本原理
该信号发生器基于奈奎斯特抽样定理和数字波形合成原理。一个完整的信号发生器内部结构由位频率控制寄存器、模2N
加相位累加器、正弦“相位-幅度”转换表ROM 存贮器及数模转换器DAC 等几部分组成。每来1个时钟f r ，相位寄存器以步长
K (频率控制字)增加，相位寄存器的输出与相位控
制字相加，然后作为正弦查询表的查询地址，正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中的0～360度范围的一个相位点，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，通过DAC 输出模拟量。相位寄存器每经过2N ΠK 个f r 时钟周期后回到初始状态，相应的正弦查询表的地址经过周期后回到初始位置，整个DDS 系统输出一个周期的正弦波，输出的正弦波频率为:
f o =K 3
f r Π2N ，通过改变频率控制字K ，即可调节读
取查询表中正弦波形输出点的速度，从而产生不同频率的正弦方波。DDS 原理图如图2所示，图中参考时钟源f r 是一个稳定的晶体振荡器。2.2　信号发生器的硬件实现
该信号发生器主要包括单片机控制电路,AD9954正弦信号产生电路和滤波放大电路三个单
元，整体图如图3所示
。
图2　DDS
原理图
图3　系统硬件框图流程图转换为ns图
(1)单片机控制电路
系统频率控制字的产生主要由单片机
(AT 89C51)完成，通过读写AD9954的片内RAM 来查表控制各种频率的模拟正弦波的输出或编辑输出其他类型的波形，单片机的外围电路还有键盘及液晶显示器。分别完成输出频率模式设定和实时显示
功能。
(2)AD9954应用电路
I ΠO UPDATE ：在该引脚的上升沿可把内部缓冲
存储器中的内容送到I ΠO 寄存器中。引脚电平的建
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立和保持与SY NC -C LK 输出信号有关。
I OUT 和I OUT:DAC 输出端，使用时应接一个上
接电阻，并转化为单端电压输出。
RESET：芯片的复位端。
I OSY NC ：异步串行端口控制复位引脚。为1时
当前I ΠO 操作立即停止；为0时开始新的I ΠO 操作，不用时，此引脚必须接地。
S DO ：采用3线串口操作时,S DO 为串行数据输
出端；采用2线串口操作时,S DO 不用，可以不连。
CS ：片选端，低电平有效，允许多芯片共用I ΠO
总线。
SC LK:I ΠO 操作的串行数据时钟输入端。SY NC C LK：时钟输出脚，为内部时钟的1Π4，可
用作外围硬件同步。
PS1和PS0：可用来选择4个RAM 段控制字区
中的一个。
(3)放大滤波电路
由于AD9954输出的是互补的差分电流信号，为了改进AD9954芯片内部DAC 在输出频率幅度上的缺陷，采用抗混叠滤波器LPF 来进行补偿，以及控制AD9954的DAC 参考电压来进一步进行修正。2.3　信号发生器的软件实现
(1)软件组成
信号发生器软件主要根据硬件要求编写相应的程序，单片机源程序可根据任务不同分为：单片机源程序①，本系统软件的主程序；单片机源程序②，键盘输入模块；单片机源程序③，液晶显示模块。图5给出主程序流程图。
(2)软件运算速度与精度评估
本系统的数据处理的单片机部分基本上是一个顺序作业方式，从运算量上来看，由于在扫频过程中每一个频率点都要算出它的频率控制字，因此频率控制字产生模块运算量最大。整套软件的运算速度和精度主要受以下两个瓶颈限制：一是单片机的运算速度与精度；二是AD9954芯片内部集成的DAC 工艺水平。其中AD9954芯片内部集成的DAC 的工艺水平更限制了DDS 技术本身的发展。下面对于该系
统的运算速度做一下估算:
①单片机的运算速度。单片机的运算速度与频率点的个数有关。它影响的仅是第一个频率点的出现时间。可以从整体上不予考虑。
②AD9954的处理速度。由于芯片内部DAC 的影响,
与之对应的频率将会大约在相位增量装订完图5　系统主程序流程图
的180ns 后产生。所以，忽略第一个频率点的出现时间，对于后续的频率点，由于采用循环作业，其出现的时间间隔约为240ns 。
下面对于该系统的运算精度做一下估算:①单片机的运算精度。对于输出频率在1MH z 以内的频率信号，单片机在运算频率控制字时不会
产生误差(数据比较小)；当输出频率在1MH z 以上时，单片机在运算频率控制字时将会产生误差(其中在20MH z 频率点上得到的频率控制字的值将会比理论值偏大13)，但是此误差可以通过测量曲线进行校正，所以对于整个系统来说，单片机的计算误差可以忽略。
②AD9954的频率精度。AD9954芯片的参考时钟源为100MH z ，它的理论最小分辨率为0.023H z 。因此整个系统的理论精度为0.023H z 。
3　结束语
单片机控制AD9954产生正弦信号电路及其滤波放大输出电路是该信号发生器设计的核心部分，由于器件对于宽带的要求比较高，因此在器件的选择和滤波器的设计上有较高的要求。参考文献:
[1]　许加枫.高性能DDS 芯片AD9954及其应用[J ].国外电子元器
件,2004:23-26.
[2]　王国庆.一种捷变DDS 频率合成器的设计[J ].电光与控制,
2003(10):29-31.
[3]　聂祥羿.应用DDS 芯片AD9835开发的一种高精度频率信号发
生器[J ].电子技术应用,2001(6):62-641.
责任编辑：么丽苹
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